Tema 1

-Energa - Definicin, magnitudes y unidades

Pre-conocimiento Qu representa la energa? Qu tipos de energas conoces? En qu unidades se mide la energa cintica? Y la potencial? Qu ventajas tiene la energa nuclear respecto a otras fuentes energticas? Y qu inconvenientes? Qu camino recorre la energa desde que es generada hasta que llega a t casa?

Imagen 1. Molino de agua. (Fuente: http://es.wikipedia.org)

La manipulacin y el control de la energa por el ser humano ha marcado su capacidad de desarrollo. Primero fue el control del fuego, despus la rueda hidrulica, la aparicin de los primeros molinos de viento, ms tarde la mquina de vapor y por fin la produccin de la electricidad que permiti disponer de cualquier cantidad de energa en cualquier lugar. El desarrollo industrial est relacionado con la capacidad de produccin de energa, por lo que la irrupcin de tres pases: China, India y Brasil, muy densamente poblados y en pleno proceso de expansin industrial, est obligando a reformular el mundo del consumo de energa. El objetivo de este primer tema del bloque "Energa" es definir los conceptos bsicos que van a ser necesarios para desarrollar el resto de la unidad. En la ltima parte de la misma se lleva a cabo el estudio del proceso de produccin y distribucin de la energa elctrica.

1. Energa y trabajo: Definiciones

Imagen 2. Energa es la capacidad de producir cambio en un sistema.

A lo largo de este tema vamos a referirnos continuamente de dos conceptos bsicos: Energa y trabajo. Estas palabras son utilizadas frecuentemente en nuestra vida diaria. As a nadie le costara entender que queremos decir con expresiones del tipo "no tengo energa para nada" o "leer esta primera pgina del curso me est costando mucho trabajo". Sin embargo, y tal y como sucede en muchas ocasiones, el concepto cientfico o tcnico no coincide exactamente con la interpretacin "corriente" que se tiene del mismo. Es importante pues, dejar claro a que nos estaremos refiriendo en este tema cuando hacemos referencia a cualquiera de estos conceptos: Energa es la capacidad que tiene un sistema de producir cualquier tipo de cambio en su entorno. Ese cambio en su entorno puede manifestarse de muchas formas, desde una variacin de la temperatura del mismo a un incremento en la velocidad de alguna de las partculas que lo forman. De una forma ms rigurosa podemos definir: Importante Energa: Capacidad que tiene un sistema para producir trabajo. La energa de un sistema puede ser liberada y transformarse en otros tipos de energa.

Para poder comprender esta definicin, es necesario definir el concepto trabajo: Importante Trabajo: Es la forma de manifestarse la energa con consecuencias tiles, y se produce al aplicar una fuerza provocando un desplazamiento, en caso de no producirse desplazamiento tiene lugar una deformacin del cuerpo. Trabajo = Fuerza x desplazamiento W = F d

1.2. Unidades de medida

Fotografa 3. James Joule http://es.wikipedia.org/

Tan importante como definir una magnitud fsica o qumica, es fijar la unidad en que va ser medida. El Sistema Internacional de Unidades (SI) define el Julio como la unidad bsica de medida para la energa y el trabajo.

Julio: Unidad del Sistema Internacional de Unidades para la energa, el trabajo y el calor. Se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 Newton al producir un desplazamiento de 1 metro. El smbolo que representa al Julio es la letra J

Aunque el Julio sea la unidad definida por el SI para la medida de la energa y el trabajo, eso no quiere decir que sea la unidad que se deba utilizar siempre. En algunas ocasiones la tradicin aconsejar utilizar otras unidades. En otras el valor de energa o trabajo que se quiere medir es tan grande o pequeo que ser conveniente utilizar una unidad de un "tamao" ms adecuado. En estos casos podemos optar por dos soluciones: Utilizar mltiplos o submltiplos propios del Sistema Internacional de unidades

Utilizar unidades externas al Sistema Internacional de Unidades Reflexin Mira en el contador de luz de tu casa el consumo de energa elctrica.En qu unidades se mide? Ya ves que la energa elctrica no se mide en Julios, sino en kilowatios-hora. Reflexin Coge ahora un paquete de cereales, una lata de refresco o cualquier otro alimento envasado, y busca cunta energa nos proporciona. Vemos que otra forma de medir la energa es en caloras (o kilocaloras) Pre-conocimiento Unidades de energa y trabajo alternativas: A continuacin listamos las unidades de energa alternativas ms habituales. Tambin se incluye su equivalencia con el Julio: Ergio: Unidad de energa del sistema c.g.s. es la energa producida cuando al aplicar una fuerza de una dina se produce un desplazamiento de un centmetro. 1 ergio = 10-7 julios Kilogrmetro o kilopondmetro: Unidad de energa del sistema tcnico, es la energa producida cuando al aplicar una fuerza de un kilopondio se produce un desplazamiento de un metro. 1 Kp m = 9,8 julios Calora: Se suele emplear siempre que se hable de energa en forma de calor, se define como el calor que hay que aportar para elevar la temperatura de un gramo de agua entre 14,5C y 15,5C. Se suele emplear tambin la kilocalora. 1 calora = 4,18 julios Frigora: Es la unidad de energa utilizada en refrigeracin y equivale a absorber una calora. Kilovatio hora: Se suele emplear siempre que consideremos la energa desde el punto de vista del consumo elctrico. 1 kwh =3,6 x 106 julios Tonelada equivalente de petrleo (tep): Se suele emplear esta unidad para comparar cualquier tipo de energa y equivale al calor que se produce cuando se quema una tonelada de petrleo. 1 tep = 41,84 x 109 julios

Tonelada equivalente de carbn (tec): Es el mismo concepto anterior pero referido a la combustin de una tonelada de carbn. 1 tec = 29,3 x 109julios Electronvoltio: Es la energa que adquiere un electrn al ser acelerado en el vaco por una diferencia de potencial de un voltio. 1 ev = 1,6 x 10-19 julios1 j

Prefijos del Sistema Internacional Obtenido de Wikipedia, la enciclopedia libre La siguiente tabla muestra los prefijos definidos por el SI para cualquier unidad. 1024yottaYSeptillnCuadrilln1 000 000 000 000 000 000 000 0001991

1021zettaZSextillnMil trillones1 000 000 000 000 000 000 0001991

1018exaEQuintillnTrilln1 000 000 000 000 000 0001975

1015petaPCuadrillnMil billones1 000 000 000 000 0001975

1012teraTTrillnBilln1 000 000 000 0001960

109gigaGBillnMil millones (o millardo)1 000 000 0001960

106megaMMilln1 000 0001960

103kilokMil1 0001795

102hectohCentena1001795

101decada / DDecena101795

100ningunoUnidad1

101decidDcimo0.11795

102centicCentsimo0.011795

103milimMilsimo0.0011795

106microMillonsimo0.000 0011960

109nanonBillonsimoMilmillonsimo0.000 000 0011960

1012picopTrillonsimoBillonsimo0.000 000 000 0011960

1015femtofCuadrillonsimoMilbillonsimo0.000 000 000 000 0011964

1018attoaQuintillonsimoTrillonsimo0.000 000 000 000 000 0011964

1021zeptozSextillonsimoMiltrillonsimo0.000 000 000 000 000 000 0011991

1024yoctoySeptillonsimoCuadrillonsimo0.000 000 000 000 000 000 000 0011991

Ejemplos: 5 cm = 5 102 m = 5 0,01 m = 0,05 m 3 MW = 3 106 W = 3 1.000.000 W = 3.000.000 W

2. Relacin Trabajo, Energa, Potencia

Imagen 4. Campo de aerogeneradores martimo.

En cualquier proceso fsico o qumico se producen transformaciones en las cuales la energa de un sistema puede transformarse en trabajo u otro tipo de energa o bien un trabajo hecho sobre el sistema puede transformarse en energa del mismo. . As en los aerogeneradores de la imagen de la derecha, la energa del viento hace girar las palas de los aerogeneradores produciendo un trabajo. Este trabajo por medio de un generador se transformar en energa elctrica. . En cualquier aplicacin prctica va a ser muy importante conocer la rapidez con que se puede transmitir un trabajo o una energa. Es decir, por mucha energa que seamos capaces de obtener de un sistema, esa transformacin no ser til si la velocidad con la que la energa es aportada al sistema no es suficiente para cubrir nuestras necesidades. Para ello se define la magnitud potencia. Importante Potencia: Trabajo que se ha realizado durante la unidad de tiempo, es decir, la energa desarrollada por unidad de tiempo.

Despejando en la ecuacin anterior, si conocemos la potencia de una mquina y el tiempo que ha estado en funcionamiento, se pude calcular la energa que ha producido y el trabajo que ha desarrollado.

Imagen 5. James Watt. Fuente: http://es.wikipedia.org/

Como ya se dijo al definir el concepto de Energa, siempre que presentemos una nueva magnitud es necesario definir la unidad del sistema internacional que se va a utilizar para su medida. En este caso la unidad de potencia es el vatio. El nombre de esta unidad es un homenaje a James Watt, matemtico e ingeniero escocs que conisgui evolucionar la mquina de vapor hasta convertirla en la base de la revolucin industrial.

Importante Vatio Unidad de medida de potencia en el sistema internacional, se representa por medio de la letra W. Un vatio se define como la potencia desarrollada por un sistema que libera una energa de un Julio en un tiempo de un segundo. Muy frecuentemente cuando estamos refirindonos a sistemas mecnicos o a motores trmicos, se emplea como unidad de potencia el caballo de vapor (cv), un cv equivale a 736W.

Reflexin Ejercicio Calcula la energa, en julios y en KWh, que ha consumido una lmpara incandescente de 80 W que ha estado conectada durante 45 minutos. Despejando en la definicin de Potencia: E = P . t Trabajando en el SI, el tiempo ha de estar en segundos: t = 45 min x (60 s/min) = 27.000 s Sustituyendo en la ecuacin: E = 80 W x 2.700 s = 21.600 J La equivalencia entre Julio y kWh es 1 kWh = 3,6.106 J, por lo tanto: E = 21.600 J x (1 kWh/3,6.106 J) = 6.10-3 kWh

3. Principales tipos de energaLa energa que posee un sistema puede manifestarse de muy distintas formas. As un coche que se mueve por una carretera posee una energa asociada a la velocidad con la que se mueve y un lquido que hemos calentado a una determinada temperatura posee una energa que es capaz de calentar los elementos que pongamos en contacto con l.

Vamos a estudiar en este apartado los tipos de energa ms importantes que puede presentar un sistema, as como las relaciones matemticas que nos permiten calcular su valor. Los diferentes tipos de energa son: Energa mecnica. Este tipo de energa puede manifestarse de tres formas: Energa cintica. Energa potencial. Energa potencial elstica. Energa elctrica. Energa qumica. Energa trmica. Energa nuclear. Veamos ahora cada uno de ellos por separado:

Imagen 6: Energa elctricaImagen 7: Energa cinticaImagen 8: Vaca

3.1. Energa mecnica

Imagen 9: Energa mecnica

La energa mecnica representa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo. Sin embargo la masa por s misma no es una forma de energa mecnica. Para que un sistema tenga energa mecnica deber de o bien moverse con una cierta velocidad o de estar alejado de su posicin de reposo.

Existen tres tipos de energa mecnica Energa cintica. Es la energa asociada a la velocidad con la que un cuerpo de una determinada masa se mueve. En la fotografa de la derecha el nio que est saltando en la cama elstica posee energa cintica por el hecho de moverse. Esa energa cintica se manifestar como trabajo cuando caiga sobre la cama elstica deformndola.

Energa potencial. Es la energa asociada a la posicin que ocupa un objeto de una determinada masa respecto a un sistema de referencia. En el ejemplo de la fotografa, cuando el chico llega a una altura mxima sobre la cama elstica no tiene energa cintica, su velocidad es cero. Sin embargo posee energa potencial por estar a una determinada altura sobre la cama elstica. En el instante que el nio comienza a descender la energa potencial se ir transformando en energa cintica y cuando llegue a la cama elstica se manifestar de nuevo como trabajo.

Energa potencial elstica. Es la energa que posee un cuerpo por haber sido deformado y alejado de su estado de reposo. En el caso de la cama elstica el peso del nio que cae sobre ella produce una deformacin que a su vez producir un trabajo al "lanzar" al nio de nuevo por los aires cuando recupere su forma. Importante Energa cintica Es la debida al movimiento que tienen los cuerpos, la capacidad de producir trabajo depende de la masa de los cuerpos y de su velocidad, segn la ecuacin:

Reflexin Que energa cintica acumula un ciclista que tiene una masa de 75 kg y se desplaza a una velocidad de 12 metros por segundo. Aplicando la definicin de energa cintica: Ec =1/2 x 75 kg x (12 m/s)2 = 5.400 J

Importante Energa potencial Es la capacidad que tiene los cuerpos de producir trabajo en funcin de la posicin que ocupan. En el caso de un cuerpo que se encuentra a una altura h respecto de un sistema de referencia:

Reflexin Calcula la energa que posee un baln de baloncesto que pesa 1,5 kg, y se encuentra en el alero de un tejado situado a 6 metros de altura. Aplicando la definicin de energa potencial: Ep = 1,5 kg x 9,8 m/s2 x 6 m = 88,2 J Importante Energa potencial elstica Es la que se encuentra almacenada en los resortes o elementos elsticos cuando se encuentran comprimidos. El valor de esta energa es proporcional al valor de la constante de rigidez (k) del elemento elstico y la longitud de la deformacin (x)

Reflexin Calcula la energa que almacena un tirachinas cuando se ha estirado 12 cm si la constante de elasticidad de las gomas es de 1.200 N/m. Aplicando la definicin de energa potencial elstica: Epe = 1/2 x 1.200 N/m x (0,12 m)2 =8,64 J Hemos visto pues que existen tres tipos de energa mecnica. La energa cintica asociada a la velocidad con la que se mueve un sistema, la potencial, asociada con la posicin que ocupa el sistema respecto a una referencia y la energa potencial elstica asociada a sistemas que han sido deformados y que son capaces por su cuenta de recuperar su forma original. La energa mecnica de un sistema ser la suma de estos tres tipos de energa.

Importante Energa mecnica La energa mecnica de un sistema ser la suma de la energa cintica, potencial y potencial elstica. En un sistema aislado, la suma de las energas potenciales y cintica, es la energa mecnica y se mantiene constante.

Reflexin Calcula a qu velocidad llegar al suelo una maceta que se ha cado del alfeizar de una ventana que se encuentra a 5 metros de altura. Es ste un sistema aislado. La maceta inicialmente tiene energa potencial por estar a una determinada altura, al ir cayendo va perdiendo energa potencial que se va transformando en energa cintica por ir ganando velocidad. La energa potencial inicial es igual a la energa cintica final. Calculamos la energa potencial inicial. Ep = m.g.h = m. 9,8 . 5 = 49m El resultado obtenido est en funcin de la masa de la maceta. Cuando sta ha llegado al suelo su energa cintica ha de ser por lo tanto 49m. Sustituyendo en la expresin de la energa cintica: 49 m = 1/2 x m x v2Las masas se simplifican por ser iguales, despejando la velocidad: v = raz (49 x 2) = 9,9 m/s

3.2. Energa elctricaImportante La energa elctrica es la asociada a la corriente elctrica. Su valor depende de la diferencia de potencial del componente, de la intensidad de corriente que lo atraviesa y del tiempo transcurrido.

Tambin es muy frecuente utilizar la definicin de energa elctrica en funcin de la potencia:

Imagen 10. Energa elctrica Fuente; http://ffffound.com

Como ya hemos dicho anteriormente, la unidad de energa en el Sistema Internacional de unidades es el Julio. Sin embargo cuando se habla de energa elctrica es muy habitual utilizar el kilovatio-hora, kWh. Recuerda que la equivalencia entre estas unidades es: 1 kWh = 3,6.106 J Reflexin Calcula la energa elctrica consumida por un receptor conectado durante media hora a una batera de 12 V, por el que circulan 250 mA. Aplicando la definicin de energa elctrica: E = I.t.V En primer lugar pasaremos todas las magnitudes a la unidad adecuada I = 250 mA x (1 A / 1.000 mA) = 0,250 A t = 0,5 h x (60 min / 1 h) x (60 s / 1 min) = 1.800 s Sustituyendo: E = 0,250 A x 1.800 s x 12 V = 5.400 J

3.3. Energa qumicaUna reaccin qumica es un proceso en el que unas sustancias a las que llamamos reactivos se transforman en otras a la que llamamos productos. As por ejemplo:

Es una ecuacin qumica en la que se representa de forma ajustada como los reactivos, dos molculas de hidrgeno reaccionan con una molcula de oxgeno, para producir los productos, en este caso dos molculas de agua. Si observramos a nivel molecular esta reaccin tendramos algo similar a:

Imagen 11: Reaccin de combustin del hidrgeno. Recurso propio

Es decir, para que se produzca la reaccin es necesario: Romper tres enlaces qumicos (uno por cada molcula de hidrgeno y otro en la molcula de oxgeno), esto supone un gasto de energa. Formar cuatro enlaces qumicos (dos enlaces entre los tomos de hidrgeno y oxgeno de cada molcula de agua), estos procesos estabilizan al sistema liberando energa.Dentro de cualquier reaccin qumica van a producirse una serie de procesos que van acompaados de un gasto o aporte de energa. Esta energa es la energa qumica.

Importante Energa qumica: Energa que se libera o que hay que comunicar al sistema cuando se produce en l una reaccin qumica.

La energa qumica est pues almacenada en los enlaces moleculares dentro de los cuerpos. Esta energa se libera en forma de calor. Es la energa de los alimentos y los combustibles. En los procesos tecnolgicos las reacciones qumicas ms habituales son las reacciones de combustin. En estas reacciones una sustancia llamada combustible reacciona con oxgeno para formar un producto y liberar energa en forma de calor. Esta energa se utilizar para realizar otros procesos. La cantidad de energa que se puede obtener de un combustible depende de dos factores: Poder calorfico (Pc): Representa la energa que se puede obtener de un kg de combustible. Cantidad de combustible en masa o volumen segn se trate de un combustible slido o de un fluido.Es decir:

Imagen 12. Los alimentos son una fuente de energa qumica para los organismos vivosImagen 13. El combustible al ser quemado libera la energa almacenada en sus enlaces qumicos.

Caso de estudio Halla la energa desprendida en forma de calor cuando se han quemado 14 kg de gasolina, Pc = 10700kcl/kg. Aplicando la definicin:

Sustituyendo:

Calcula la energa generada al producirse la combustin completa de 25 litros de gasleo Pc = 10350 Kcal/Kg, si su densidad = 0,87 kg/dm3 En primer lugar calculamos la masa de combustible:

Aplicando la definicin:

3.4. Energa trmicaSi pudiramos observar una sustancia a nivel molecular veramos que sus molculas no estn quietas, se agitan a diferentes velocidades. Cada una de estas partculas tiene pues una energa cintica. Para conocer la energa total de este tipo que tiene un sistema habra que sumar las energas cinticas de todas sus molculas, esto es algo que no tiene sentido. En su lugar se define una propiedad macroscpica que nos indique el grado de agitacin que en promedio tienen las molculas. Esta propiedad es la temperatura. Importante

Imagen 14. Termmetro de mercurio

Temperatura: Magnitud que indica el grado de agitacin de las molculas de una sustancia, su valor est asociado a la energa cintica promedio del sistema. Energa trmica: Energa que tiene un sistema debida a la agitacin de las molculas que lo forman.

Es decir la temperatura representa el grado de agitacin de las molculas de un sistema, a mayor agitacin ms temperatura.

Por otro lado la experiencia dice que cuando ponemos en contacto dos cuerpos a diferente temperatura, el que est a una temperatura mayor cede parte de su energa (disminuye su temperatura) al que est a menor temperatura (aumenta su temperatura). Este proceso termina cuando las temperaturas de los cuerpos se han igualado. En ese instante se dice que el sistema ha alcanzado el equilibrio trmico y a la energa que ha pasado de un cuerpo a otro se le llamar calor. Importante Calor: Energa que fluye desde un cuerpo que se encuentra una cierta temperatura a otro que se encuentra a una temperatura inferior.

El calor es pues una forma de energa en trnsito entre dos cuerpos., Esta energa puede ser almacenada por los cuerpos en forma de energa trmica. Cuando dos cuerpos a diferente temperatura alcanzan el equilibrio trmico (cuando sus temperaturas se igualan), la cantidad de energa que ha pasado del cuerpo "caliente" al "frio" en forma de calor depende de tres factores: La masa del sistema (m) De un coeficiente llamado calor especfico (ce). Este valor es caracterstico de cada sustancia e indica la cantidad de calor que hay que suministrar a un kg de material para aumentar su temperatura un grado kelvin. Del incremento de temperatura del elemento: (T = Tf-Ti), donde Tf es la temperatura final que ha alcanzado el sistema y Ti es la temperatura inicial del elemento. Es decir: Importante El calor comunicado o desprendido para que un sistema de masa (m) en kg pase de una temperatura inicial Ti a una temperatura final Tf viene dado por:

Donde ce es el calor especfico de la sustancia.

Reflexin Calcula la cantidad de energa trmica acumulada en el agua del radiador de un automvil en el que la temperatura ha pasado de 7C a 93 C antes de entrar en funcionamiento el ventilador, si en el radiador caben 2,3 litros. ce= 1 kcal/kg.K Consideramos que la densidad del agua del radiador es 1 kg/dm3. Aplicando la expresin:

Sustituyendo:

Aunque siendo rigurosos las temperaturas deberan aparecer expresadas en grados Kelvin, como lo que nos importa es la variacin de temperaturas podemos trabajar en grados centgrados.

Imagen 15. Transmisin de calor por conveccin

Formas de intercambio de la energa trmica La energa trmica o calorfica se puede transmitir de tres formas diferentes: Radiacin: El calor se transmite en forma de ondas electromagnticas, de modo que un cuerpo ms cliente irradia calor en todas las direcciones. Conveccin: Este tipo de transmisin se da en los fluidos, tanto lquidos como gaseosos, ya que al calentarse disminuyen su densidad y pasan sus molculas a ocupar la zona superior , por lo que el lugar vacante es reemplazado por nuevas molculas fras, establecindose una corriente llamada conveccin. Conduccin: El calor es transmitido entre dos cuerpos que tengan diferentes temperaturas por medio de un contacto fsico, hasta que se igualen las temperaturas de los cuerpos. Tabla de calores especficos A continuacin tienes una tabla en la que aparecen los calores especficos de varias sustancias. Esta informacin extrada de Wikipedia, la enciclopedia libre te ser til para la resolucin de problemas.

SustanciaFasecp(msico)kJ Kg1 K1cp(molar)kJ mol1 K1

Gas monoatmico (Ideal)gasR = 20.8

Heliogas5,193220,8

Argngas0,520320,8

Gas diatmico (Ideal)gasR = 29.1

Hidrgenogas14,3028,82

Nitrgenogas1,04029,12

Oxgenogas0,91829,4

Aire (en condiciones tpicas de habitacin[3])gas1,01229,19

Aluminioslido0,89724,2

Amoniacolquido4,70080,08

Antimonioslido0,20725,2

Arsnicoslido0,32824,6

Berilioslido1,8216,4

Cobreslido0,38524,47

Diamanteslido0,50916,115

Etanollquido2,44112

Gasolinalquido2,22228

Oroslido0,129125,42

Grafitoslido0,7108,53

Hierroslido0,45025,1

Plomoslido0,12726,4

Litioslido3,5824,8

Magnesioslido1,0224,9

Mercuriolquido0,139527,98

Nengas1,030120,7862

cera de parafinaslido2,5900

Slice (fundido)slido0,70342,2

Uranioslido0,11627,7

Aguagas (100 C)2,08037,47

Agualquido (25 C)4,181375,327

Aguaslido (0 C)2,11438,09

Todas las medidas son a 25 C a menos que se indique lo contrario,Los mnimos y mximos notables se muestran en negrita.

3.5. Energa nuclear

Imagen 16: Albert Einstein Fuente: http://www.calnewport.com

La energa nuclear se manifiesta en las llamadas reacciones nucleares. Existen dos tipos de reacciones nucleares.

Reaccin de fisin: Cuando se rompen ncleos pesados de material fisionable (uranio, plutonio), para constituir otros ms ligeros. Reaccin de fusin: Cuando los ncleos de varios tomos ligeros (helio y tritio) se unen para formar un ncleo ms pesado (helio).

En estos procesos una pequea parte de la materia de los ncleos implicados desaparece, transformndose en energa. Albert Einstein lleg a cuantificar la relacin entre la masa desaparecida y la energa generada: Importante En una reaccin nuclear la relacin entre la masa desaparecida y la energa liberada viene dada por:

Donde m es la masa desaparecida expresada en kg y c la velocidad de la luz (300.000 km/s).

Aunque la masa desaparecida en una reaccin nuclear es un valor muy pequeo, el alto valor de la velocidad de la luz (que adems aparece elevado al cuadrado) indica que en estos procesos el valor de la energa liberada es extraordinariamente alto.

Reflexin Calcula la energa generada, en kcal, cuando en una reaccin nuclear han desaparecido 2 g de materia. En primer lugar pasamos el valor de masa a kilogramos: 2 g x (1 kg / 109 g) = 2.10-9 g. Aplicamos la ecuacin: E = m . c2 = 2.10-9 g x (300.000.000 m/s)2 = 180.000.000 J= 180.000 kJ

Pasamos este valor a kcal: E = 180.000 kJ x (1 kcal/ 4,186kJ) = 43.020 kcal Para poner en perspectiva este valor date cuenta de que el calor necesario para aumentar un grado kelvin la temperatura de un kilogramo de agua es 1 kcal. Es decir con dos millonesimas de gramo de materia desaparecida se podra calentar 43 grados una tonelada de agua.

Objetivos Reaccin de fisin: Las reacciones de fisin fueron las primeras producidas por el ser humano. Fue durante la II guerra mundial que un grupo de cientficos norteamericanos, dentro del llamado proyecto Manhattan desarrollaron las primeras bombas atmicas. La primera de ellas fue lanzada en Alamogordo (Estado de Nuevo Mjico) el 16 de julio de 1945. El poder destructor de esta primera bomba era equivalente al de 19.000.000 kg de TNT (19kt). Tres semanas ms tarde fue arrojada la primera bomba nuclear de este tipo contra un objetivo civil, fue en Hiroshima el 6 de Agosto de 1945. La bomba mat en unos primeros instantes a ms de 70.000 personas de los 450.000 habitantes de la ciudad, causando otros 70.000 heridos. Pasados cinco aos el nmero de vctimas mortales habra ascendido a ms de 200.000 sumadas las causadas por la radiacin nuclear. Hubo que esperar hasta finales de 1951 para poder obtener electricidad en un reactor nuclear, fue en la estacin experimental de Arco, en Idaho (EEUU). El 27 de junio de 1954 comenz a funcionar la primera central nuclear del mundo en Obnisnks (Rusia). Desde entonces estas instalaciones han estado sometidas a continuos debates. Por un lado est la necesidad de conseguir energa abundante, econmica y no dependiente de terceros pases y por otro lado la peligrosidad de los residuos radiactivos que generan y las consecuencias de posibles accidentes.

Imagen 17: Explosin de una bomba de fisinImagen 18: Reactor nuclear de fisin

Reaccin de fusin:

Imagen 19: Reaccin de fusin en el sol

La energa que se libera del sol es energa nuclear de fusin. En ella tomos de hidrgeno se unen formando tomos de helio liberando una cantidad ingente de energa. En cada segundo algo ms de 4 millones de toneladas de masa se convierten en 41026 julios de energa, que es enviada del sol a todo el espacio. Debido a la distancia a la que el sol se encuentra la tierra, slo le llega una pequea parte de esta energa. La mayor parte de esta energa se pierde en el espacio.

4. Principio de conservacin de la energaImportante Transformacin energtica Una transformacin energtica va ser cualquier proceso en el cual un tipo de energa a travs de un proceso fsico o qumico se transforma en otro tipo de energa.

Imagen 20. Motor de explosin de 4 tiempos. Fuente: http://www.carbibles.com

Un ejemplo en que suceden mltiples transformaciones energticas sera un motor de combustin de un coche.

Inicialmente el combustible almacena energa qumica en las molculas que lo forman. Cuando el combustible explosiona dentro de los cilindros esa energa qumica se transforma en energa trmica. La energa trmica liberada hace mover los pistones de los cilindros, la energa pasa a ser energa cintica. Por ltimo parte de la energa se pierde a travs de las paredes del motor como calor y como energa de rozamiento entre sus piezas. En ninguno de los procesos anteriores se crea o desaparece energa, lo que ocurre es que la energa pasa a tener distinta forma. Este es un caso particular del principio de conservacin de la energa.

Importante Principio de conservacin de la energa En toda transformacin energtica la energa total de un sistema aislado permanece constante. La energa no puede crearse ni destruirse, slo se puede transformar de una forma a otra.

Imagen 21. Primera ley de la termodinmica Fuente: http://www.textoscientificos.com

Si reflexionas un poco sobre el principio de conservacin de la energa y el ejemplo del motor de explosin tal vez te des cuenta de que las cosas parecen no ser tan sencillas.

El principio de conservacin establece que la energa total del sistema es constante. En principio pues, toda la energa qumica liberada por el combustible debera de transformarse en energa cintica en el pistn. Sin embargo el motor al funcionar se calienta, parte de la energa se est perdiendo en forma de calor a travs de las paredes del motor, parece que no se est cumpliendo el principio de conservacin. Qu est pasando? Si te fijas en la definicin del principio de conservacin de la energa hay una expresin que aparece resaltada en negrita "sistema aislado". Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar ni materia ni energa con su entorno. El motor de explosin de un coche no es un sistema aislado ya que intercambia calor con el exterior (las paredes del motor emiten calor aumentando la temperatura del entorno), no se le puede aplicar el principio de conservacin. La mayora de los sistemas fsicos y mquinas industriales en particular no son sistemas aislados, necesitamos pues un principio ms general que incluya al anterior pero que permita estudiar cualquier tipo de sistema, este principio es el primer principio de termodinmica. Actividad Primer principio de la termodinmica: La variacin de la energa interna de un sistema cerrado en una transformacin energtica es igual al calor comunicado al sistema desde el entorno menos el trabajo realizado por el sistema. Es decir:

Donde: E = Variacin de energa interna en el sistema. Ef y Ei =Energa final e inicial del sistema. Q = Calor o energa de cualquier tipo que recibe el sistema. W = Trabajo que se extrae del sistema.

Aclaraciones Aclaraciones: Un sistema cerrado es aquel en el que no puede entrar ni salir materia. En el caso de que el sistema cediese calor al entorno en vez de recibirlo su valor se considerara negativo. En el caso de que el trabajo lo recibiera el sistema en lugar de aportarlo su valor se considerara negativo.

Ejemplo o ejercicio resuelto A qu altura llegar un objeto de 1 kg de masa que es lanzado hacia arriba con una velocidad de 10 ms/? Qu energa tiene el objeto durante el proceso?

Si tomamos como referencia el punto de lanzamiento, el objeto inicialmente slo tiene energa cintica, ya que se encuentra a una altura de 0 m. A medida que va subiendo ir perdiendo velocidad (y con ello energa cintica) a medida que gana altura. La energa cintica se va transformando en energa potencial. Cuando el mvil llega al punto ms alto de su trayectoria, la energa cintica ha desaparecido y se ha transformado totalmente en energa potencial. Por aplicacin del primer principio de termodinmica la energa cintica inicial ha de ser igual a la energa potencial final (la energa se mantiene constante a lo largo de todo el proceso). Matemticamente:

Donde vi es la velocidad en el instante inicial y hf es la altura que llega a alcanzar el mvil. Simplificando m y despejando en la ecuacin anterior:

Observa que el resultado no depende de la masa del objeto. Para calcular la energa cintica es suficiente con sustituir en la definicin.

Este valor se mantendr constante como valor de la energa mecnica total del mvil a lo largo de todo el proceso.

5. Rendimiento

Imagen 22. Mquina de Vapor en la ETSII de Madrid. Fuente:energiasolarok.blogspot.com

En cualquier transformacin energtica, siempre existen prdidas de parte de la energa debidas a diversos factores, las ms habituales son:

Rozamientos entre componentes mviles de los mecanismos. Rozamientos con el aire. Prdidas debidas al efecto Joule en sistemas elctricos. Causadas por efectos parsitos en los campos electromagnticos. Recuerda que la ley de la conservacin de la energa afirma que la energa no puede crearse ni destruirse, slo se puede transformar de una forma a otra. Parece pues que llegamos a una contradiccin, por un lado decimos que la energa se conserva y por otro que se pierde. En realidad no existe ninguna contradiccin, lo que estamos diciendo es que la energa se degrada en un proceso irreversible. En cualquier transformacin parte de la energa pasa a estar en una forma menos til. Es importante definir un parmetro que establezca una relacin entre la energa que se aporta a un sistema y la cantidad de esa energa que el sistema llega a aprovechar. Este parmetro es el rendimiento:Importante Rendimiento Se define el rendimiento () como el cociente entre la energa til (Eu) y la energa total (Et) suministrada por el sistema.

Aspectos a tener en cuenta: El rendimiento es un valor adimensional, es decir que no tiene unidades, se expresa en tanto por uno, o bien si se multiplica este resultado por cien se expresa en tanto por ciento (%) Su valor siempre ha de ser inferior a la unidad, solo en el caso ideal de que un sistema no tuviese prdidas su valor sera la unidad, pero esto solo ocurre a nivel terico, nunca en la prctica. El rendimiento tambin se utiliza referido a potencias, y as la frmula sera:

Caso de estudio Ejercicio 1: Para elevar 150.000 litros de agua (agua = 1 kg/dm3), a un depsito situado a 20 metros de altura. Una motobomba consume 4 litros de gasleo. Sabiendo que el poder calorfico del gasleo es Pc = 10350 kcal/kg, y que su densidad es gasleo = 0,87 kg/dm3. Calcular el rendimiento del proceso. En primer lugar calcularemos la energa que es necesario comunicar al volumen de agua para colocarlo a la altura indicada. La energa comunicada se acumula como energa potencial: Ep = m.g.h = 150.000 l x 1 kg/l x 9,8 m/s2 x 20 m = 29,4.106 J La energa que se obtiene al quemar el gasleo viene dada por: E = m x Pc = 4 l x 0,87 kg/l x 10.350 kcal/kg = 36.018 kcal Pasando este valor a julios: E = 36.018 kcal x 4.180 J/kcal =150,6.106 J Por lo tanto el rendimiento sera: = Ep / E = 29,4.106/150,6.106 = 0,195 En tanto por cien: = 19,52%

Ejercicio 2: Una sierra alimentada por un motor elctrico de 1,5 CV cuyo = 89% est funcionando ininterrumpidamente durante un turno laboral de 8 horas. Calcula la cantidad de trabajo mecnico que ha producido. En primer lugar pasamos las magnitudes a las unidades del sistema internacional.

La energa que necesita la sierra viene dada por:

Aplicando el porcentaje de rendimiento:

Ejercicio 3: El motor de un automvil consume 40 litros de gasolina = 0,78 kg/dm3 , Pc= 10700 kcal/kg, durante 5 horas de funcionamiento. Determina la potencia mecnica que ha desarrollado el motor si su rendimiento es del 32%. 24,8 W

Ejercicio 4: Un calentador elctrico funciona con una resistencia de 500 w y presenta un rendimiento del 93%, cuanto tiempo tardar en calentar 5 litros de agua desde 14 C hasta 38C, el calor especfico del agua es ce = 1 kcal/kg C. 18 minutos

Ejercicio 5: La caldera de una sistema de calefaccin presenta un rendimiento = 75%, para mantener una temperatura confortable de 21C de un edificio necesita aportar 3500 Kcal/h, si emplea un combustible, Pc = 10350 kcal/kg, gasleo = 0,87 kg/dm3, Calcula cuantos litros de combustible habr que quemar a la hora. 0,52 litros

Importante En resumen: 1. En todas las mquinas y en cualquier proceso fsico se producen prdidas de energa. 2. Por lo tanto su rendimiento siempre ser inferior al 100%. 3. Esto no se debe interpretar como un incumplimiento del principio de conservacin de la energa sino como una transformacin "irremediable" de la energa en formas ms degradadas, generalmente en forma de calor.

6. Generacin de energaLa mayor parte de la energa que demanda y consume la sociedad actual se obtiene a partir de transformar la energa elctrica en cualquier otro tipo de energa. A pesar de que la energa elctrica no es la ms utilizada como energa final, si es muy demandada por dos razones: Es la ms sencilla de transportar y distribuir. Su transformacin en cualquier otro tipo de energa final se hace con rendimientos relativamente altos.As la electricidad se emplea en la produccin de fro y calor, en iluminacin, en elevacin de cargas, en la mayora de los procesos de produccin industrial, e incluso ltimamente est teniendo una gran penetracin en el mundo de la automocin y a da de hoy las principales compaas fabricantes de automviles estn produciendo vehculos hbridos, que consumen combustible y electricidad. Incluso ya es posible encontrar en el mercado los primeros coches alimentados exclusivamente por energa elctrica.

Importante Induccin electromagntica La generacin de energa elctrica se basa en el principio de induccin electromagntica por el que cuando se mueve un conductor elctrico en el seno de un campo magntico, se genera en l una fuerza electromotriz (fem) que sirve para alimentar receptores elctricos. La fem inducida se mide en voltios y su valor depende de la induccin del campo magntico (B) que se mide en teslas (T), de la longitud del conductor (l) expresada en metros y de la velocidad de giro del conductor dentro del campo magntico () medida en radianes por segundo.

Dinamos y alternadores Para que un generador funcione, se necesita una fuente de energa externa (trmica, hidrulica, elica, nuclear, etc.) que proporcione la energa cintica que haga que la bobina gire a la velocidad adecuada produciendo fuerza electromotriz. Los generadores de energa elctrica son por lo tanto las mquinas encargadas de transformar energa cintica rotativa en energa elctrica. Los generadores estn constituidos por una parte fija llamada esttor y una parte que gira llamada rtor, desde el punto de vista electromagntico se les llama inductor, porque es donde estn ubicados los electroimanes que generan el campo magntico e inducido donde estn montadas las bobinas constituidas por muchas vueltas (espiras) de hilo conductor, que es donde se genera la fem inducida. En funcin de cmo sea la energa elctrica producida existen dos tipos de generadores: Importante Dinamo Generador que produce energa en forma de corriente continua. ste es el equipo que genera energa elctrica en las bicicletas para alimentar el faro. Alternador Generador que produce energa en forma de corriente alterna. Este es el caso de las centrales de produccin de energa elctrica, que estudiaremos en los prximos temas. 7. Transporte y distribucin de la energa elctricaNormalmente las centrales de generacin de energa elctrica se instalan prximas a las fuentes de energa primarias, es decir a pie de los yacimientos de carbn, saltos hidrulicos, etc. Sin embargo tambin es habitual que la energa elctrica sea consumida en puntos muy alejados de los lugares en que se ha generado. Por lo tanto es necesario transportarla desde la central elctrica hasta los puntos de consumo. Esta tarea la realizan los distintos elementos que componen un sistema elctrico de potencia, fundamentalmente las lneas (transporte, reparto y distribucin) y las subestaciones transformadoras (modifican el nivel de tensin). Importante Sistema elctrico de potencia: Conjunto de elementos necesarios para transportar la corriente elctrica desde el lugar en que se ha generado al lugar en que va a ser consumida.

Imagen 23: Transformador elctrico en un poste de distribucin

Estos sistemas de distribucin pueden ser areos o subterrneos. Los ltimos se dan ms en los ncleos urbanos. Con este sistema de transporte de energa se consigue aprovechar mejor las fuentes de energa, a la vez que se reducen los costes de transformacin, al concentrarlos en pocos lugares. Tambin, de esta forma, es posible la instalacin de industrias en zonas que carezcan de fuentes primarias de energa. Por la propia caracterstica de la energa elctrica se debe transportar y distribuir por medio de conductores. La energa elctrica es muy costosa de almacenar por lo que debe ser suministrada en el momento que se solicita, por tanto, la produccin y distribucin de energa elctrica debe ser flexible y adaptarse constantemente a las exigencias de la demanda.

7.1. Esquemas de distribucinLos componentes ms importantes de las lneas de transporte y distribucin elctricas son:

Estas instalaciones suelen utilizar corriente alterna, ya que es fcil modificar el voltaje con transformadores. De esta forma, cada parte del sistema puede funcionar con el voltaje apropiado. Central elctrica: En ella se transforma la energa primaria en energa elctrica. La energa elctrica producida en una central tiene un voltaje de 26 kilovoltios; valores superiores no son adecuados por ser muy difciles de aislar y por el elevado riesgo de cortocircuitos y sus consecuencias.

Centro de transformacin: En l se eleva el voltaje de la energa elctrica generada hasta las altas tensiones necesarias en las redes de transporte. Este voltaje se eleva mediante transformadores a tensiones entre 138 y 765 kilovoltios para la lnea de transporte primaria, cuanto ms alta es la tensin en la lnea, menor es la corriente y menores son las prdidas por calor (efecto Joule) en los conductores, ya que stas son proporcionales al cuadrado de la intensidad de corriente.

Lneas de transporte: Son el medio de transporte fsico de la energa elctrica entre los centros de transformacin y las subestaciones.

Subestaciones: Instalaciones en las que se reduce el voltaje para adecuarlo a las lneas de reparto o distribucin. En ellas el voltaje se transforma en tensiones entre 69 y 138 kilovoltios para que sea posible transferir la electricidad al sistema de distribucin.

Lneas de distribucin en media tensin: Transmiten la corriente elctrica hasta los transformadores.

Transformadores: Adaptan el voltaje al valor requerido por los consumidores. En ellos la tensin se vuelve a reducir en cada punto de distribucin para abastecer convenientemente a los diferentes usuarios, as la industria pesada suele trabajar a 33 kilovoltios, los trenes elctricos requieren de 15 a 25 kilovoltios. La tensin industrial est comprendida entre 380 y 415 voltios, y el consumo domstico se alimenta a 220 voltios.En Espaa, Red Elctrica es la empresa que se encarga de transportar la energa elctrica en alta tensin, gestionar las infraestructuras elctricas que componen la red de transporte y conectar las centrales de generacin con los puntos de distribucin a los consumidores. La red de transporte la constituyen ms de 33.500 kilmetros de lneas elctricas de alta tensin y ms de 3.000 subestaciones de transformacin, configurando una red mallada. Si la produccin de energa elctrica a partir de fuentes renovables se generalizase, los sistemas de distribucin y transformacin no seran ya los grandes distribuidores de energa elctrica, pero actuaran para equilibrar las necesidades de electricidad de las pequeas comunidades. Los que tienen excedentes de energa venderan a los sectores deficitarios. El uso a pequea escala de energas renovables, disminuye la necesidad de disponer de sistemas de distribucin de electricidad. Se ha comprobado que un hogar medio que disponga de un sistema solar con almacenamiento de energa, y paneles de un tamao suficiente, slo tiene que recurrir a fuentes de electricidad exteriores algunas horas por semana. . AV - Reflexin Reproduce el siguiente video para averiguar en qu consiste el principio de induccin electromagntica y como se manifiesta en el circuito de la segunda bobina.

Al establecer una corriente elctrica alterna en la primera bobina, esta genera un flujo variable en la segunda bobina, es decir el campo magntico vara. Por aplicacin del principio de induccin electromagntica aparece en esta segunda bobina una fuerza electromotriz inducida que aporta energa suficiente para que se encienda la bombilla pese a no estar conectada directamente a la fuente de alimentacin.