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Tema 8. Producción de energía8.1 Fuentes de energía
8.1.1 La energía específica y la densidad de energía de las fuentes de combustible
8.1.2 Los diagramas de Sankey
8.1.3 Las fuentes de energía primaria
8.1.4 La electricidad como forma de energía secundaria y versátil
8.1.5 Las fuentes de energía renovables y no renovables
Tip
os
de
ener
gía
PrimariaEnergía presente en la naturaleza y que no
ha sido sometida a ningún proceso antopogénico
Secundaria Energía procesada a partir de fuentes de energía primaria
Clasificación de las fuentes de energía de acuerdo a la explotación antropogénica
Fuentes de energía primarias
Energía almacenada en los combustibles fósiles
Energía solar
Energía eólica
Tip
os
de
ener
gía
No renovables
se encuentran en la naturaleza en una cantidad limitada y una vez consumidas en
su totalidad, no pueden sustituirse. Se generan más lentamente de lo que son
gastadas
Renovables se producen de forma continua y son inagotables a escala humana.
Clasificación de las fuentes de energía de acuerdo a su duración en el tiempo
Fuentes de energía renovablesEl sol es la fuente de energía fundamental para la energía mundial (fotosíntesis)
Ejemplos de energía renovable:
HidráulicaSolar EólicaEnergía de las olas y mareasGeotérmica
Ejemplos de energía no renovable:
CarbónPetróleoGas naturalResiduos, biocombustibles Nuclear
Petróleo; 32
Gas natural; 21Carbón vegetal; 27
Nuclear; 6
Hidroeléctrica; 2
Biocombustibles; 10 Otras; 2
PORCENTAJE DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN EL MUNDO
70
50
90
Petróleo
Gas natural
Carbón
Emisión de dióxido de carbono por unidad de energía producida
Tipos de combustibles
𝑔 ∙ 𝑀𝐽−1
𝑔 ∙ 𝑀𝐽−1
𝑔 ∙ 𝑀𝐽−1
Elementos cuantitativos en la
elección de un combustible
Energía específica
Cantidad de energía que puede extraerse de la
unidad de masa de combustible
𝐸𝑠 =𝑄
𝑚
Densidad de energía
Cantidad de energía que puede extraerse de la unidad
de volumen de un combustible
𝐸𝐷 =𝑄
𝑉
Segunda ley de la termodinámica
No es posible que el calor fluya desde un cuerpo frío hacia un cuerpo mas caliente, sin necesidad de producir ningún trabajo que genere este flujo. La energía no fluye espontáneamente desde un objeto a baja temperatura, hacia otro objeto a mas alta temperatura.
Diagramas de Sankey• Representaciones gráficas de: caudales
(cantidad/tiempo), de energía, materia,dinero… que se mueven en un sistema.
• Permiten conocer las cantidades de energíaque ingresan al sistema, cómo se distribuyenen él, qué cantidad real de las mencionadasse utilizó, etc.
• La anchura de la flecha representa la potenciao energía involucrada en cada etapa.
• La energía degradada se muestra con unaflecha hacia arriba o hacia abajo.
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Energía que entra al sistema
Energía no útil o
degradada
Energía útil
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Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.
Diagrama de Sankey, representando el flujo de energía en una planta eléctrica típica
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IB Physics Course Companion. Oxford
Diagrama de Sankey, representando la conversión de la energía química del petróleo en energía cinética de un auto y calor.
Problema: Determine la eficiencia de este auto.
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Physics for the IB Diploma. Cambridge
Esquema de una máquina de vapor. Diagrama de Sankey(a la derecha). El ancho de las flechas es proporcional a la energía que fluye
Modos de producir energía eléctrica
Combustibles fósiles
Combustible nuclear
Energía eólica
Energía hidráulica
Energía cinética de rotación
Generador Energía eléctrica
Energía solar
(celdas fotovoltaicas)
Producción de energía a partir de combustibles fósiles
Energía solar
• Proceso de fotosíntesis
Energía química de las plantas
• Proceso de compresión
Energía química en combustibles fósiles
• Proceso de combustión
Energía térmicaEnergía cinética del
vapor de aguaEnergía cinética de
las turbinas
Energía eléctrica
Transformaciones de energía en la producción de energía eléctrica
La energía eléctrica puede producirse: a) haciendo girar bobinas en campos magnéticos.b) directamente con células fotovoltaicas.
Para hacer girar a las bobinas se emplea generalmente:a) vapor de aguab) aguac) viento
Para convertir agua líquida en vapor de agua se utiliza la energía térmica producida normalmente:a) por combustión b) por fisiónc) por exposición al sol
Métodos para producir energía eléctrica
Modos de producir energía
Producción de energía a partir de combustibles fósiles
Combustibles fósiles
El Carbón El Petróleo El Gas natural
aquellos que proceden de la biomasa producida hace millones de años que pasó por procesos de transformación hasta la formación de sustancias de gran contenido energético como:
IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.
DENSIDADES DE ENERGÍA (MJ kg-1)
Carbón (22-33)
Petróleo (42)
Gas natural (54)
Producción de energía a partir de combustibles fósiles
Producción de energía a partir de combustibles fósiles
VENTAJAS DESVENTAJAS
Alta densidad de energía Los productos de la combustión producen
contaminación y lluvia ácida
Fácil transporte Emiten gases invernadero
Precio No renovable
Construcción de centrales en puntos con buenas
comunicaciones y agua disponible
La extracción y transporte producen daños
medioambientales
Uso doméstico directo Es necesario gran cantidad de combustible
Modos de producir energía
Producción de energía a partir de combustibles no fósiles
Producción de energía a partir de combustibles no fósiles
Energía nuclear.
Energía solar.
Energía hidráulica.
Energía eólica.
Reactor nuclear
Energía nuclear. Ideas previas
• La masa real del núcleo es inferior a la suma de las masas de su protones y neutrones. Esta diferencia se denomina defecto de masa:
• ∆ m = Z mp + (A-Z) mn – M
La energía equivalente a este defecto de masa es:
E = ∆ m c2
Imagen: taringa.net
Energía nuclear. FISIÓN
División de un núcleo pesado en dos núcleos más ligeros. En el proceso se libera energía.
92235𝑈 + 0
1𝑛 → 92236𝑈 → 36
92𝐾𝑟 + 56141𝐾𝑟 + 3 ∙ 0
1𝑛 +Energía
El núcleo inestable U236 se fisiona en dos fragmentos (núcleos de números atómicos comprendidos entre 30 y 63 y números másicos comprendidos entre 72 y 162), nuevos neutrones y liberándose energía.
(Hahn y Strassmann, 1938)
Energía ca. 200 MeV por núcleo
Otros núcleos fisionables: Th, Pu, Pa
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Física 2º Bto. McGraw-Hill
Energía nuclear. FISIÓN
Reacción en cadena: En el proceso de fisión se liberan neutrones que hacen posible la fisión de nuevos núcleos. Estos liberan, a su vez, nuevos neutrones y así sucesivamente.
(Primera reacción en cadena, Enrico Fermi, 1942)
Si un neutrón de cada fisión produce otra fisión, la reacción se mantiene y se libera energía de manera continua. En un REACTOR NUCLEAR, la reacción en cadena se regula mediante barras de control (B, Cd) que absorben neutrones.http://iesdmjac.educa.aragon.es/PortalFQ/anima/ChainReaction.exe
Si no se elimina el exceso de neutrones con capacidad para producir fisión, se produce una reacción en cadena descontrolada a gran velocidad, que es una BOMBA ATÓMICA.http://www.atomicarchive.com/
Energía nuclear. FISIÓN
Para que los neutrones no escapen y puedan ser atrapados por los núcleos de uranio-235, debe haber una cantidad suficiente de material fisionable. A esta cantidad mínima, necesaria para mantener la reacción en cadena, se la denomina MASA CRÍTICA.
El uranio natural contiene solamente un 0,7% de uranio-235, el resto es uranio-238. Los reactores suelen utilizar uranio enriquecido al 3,5% del 235. La fabricación de bombas atómicas exige concentrar el uranio 235 por encima del 85%. http://es.wikipedia.org/wiki/Enriquecimiento_de_uranio
Energía nuclear. FISIÓN
Physics for the IB Diploma. Cambridge
Energía nuclear. FISIÓN. Producción de Plutonio
Sólo los neutrones de baja energía favorecen la fisión nuclear. En general los neutrones producidos por la fisión son más rápidos y hay que frenarlos para que puedan seguir produciendo fisiones. Para ello se utiliza el moderador (agua, agua pesada D2O, berilio y grafito)
IB Physics Course Companion. Oxford
Energía nuclear. FISIÓN
Principales transformaciones de energía que tienen lugar en una central nuclear
Central nuclear de Ascó (Tarragona)Foto: Photochex. El mundo.es
Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.
Energía nuclear. FISIÓN
DENSIDADES DE ENERGÍA (MJ kg-1)
Nuclear (90 000 000)
Física 2º Bto. McGraw-Hill
Energía nuclear. FISIÓN
Physics for the IB Diploma. Cambridge
Energía nuclear. FISIÓN
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Physics for the IB Diploma. Cambridge
Energía nuclear. FISIÓN
Energía nuclear. FISIÓN
VENTAJAS DESVENTAJAS
Altísima densidad de energía Problemas extracción y transporte de uranio
Reservas más duraderas que las de petróleo
Problemas con los residuos nucleares
No emiten gases invernadero Posibilidad de utilización de un programa de energía
nuclear para la fabricación de armas de destrucción masiva
http://es.wikipedia.org/wiki/Accidente_de_Chern%C3%B3bil
Energía nuclear. FUSIÓN
es.wikipedia.org
Educarchile.cl
Eltelescopioderaukowordpress.com
Energía nuclear. FUSIÓN
http://www.iter.org/
http://es.wikipedia.org/wiki/ITER
Para lograr la fusión es necesario calentar este plasma atemperaturas del orden de 10 8 K y conseguir que alcance unadensidad del orden de 10 20 partículas /m3. Hay que confinar elplasma en un recipiente sin paredes, pues ningún materialsoportaría esas temperaturas. Se investiga en dos alternativas:confinamiento magnético y confinamiento inercial.
El deuterio se obtendría del agua del mar y el tritio se obtiene albombardear litio con neutrones.Los reactores de fusión presentarán menos problemas con losresiduos radiactivos que los de fisión y serán más seguros.
Energía hidroeléctrica
La fuente de la energía hidroeléctrica es la energía potencial gravitatoria de una masa de agua.
Al caer desde una cierta altura, se transforma en energía cinética que es capaz de mover las turbinas que generan la energía eléctrica.
Physics for the IB Diploma. Cambridge
Physics for the IB Diploma. Cambridge
Observación: el rendimiento no suele ser del 100%
Diferentes modelos hidroeléctricos se basan en:
1) Almacenamiento de agua en lagos y embalses.
2) Almacenamiento de agua de mareas.
3) Almacenamiento por bombeo.
Energía hidroeléctrica
Almacenamiento del agua en lagos y embalses
Renovables-energia.com
Presa de El Grado. (Huesca) rondasomontano.com
Almacenamiento por bombeo
Repasa con esquemas. Física Bachillerato. Oxford educacion
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VENTAJAS DESVENTAJAS
Producción muy limpia Sólo utilizable en determinadas áreas
Renovable Costes sociales
Fuente de energía “libre” Costes medioambientales
Energía hidroeléctrica
Energía eólica
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El origen de esta fuente de energía es el Sol.
Diferentes partes de la atmósfera son calentadas a distintas temperaturas.
Las diferencias de temperaturas causan diferencias de presión debido a que el aire caliente asciende y el aire frío desciende. Así se genera un flujo de aire, el viento.
Los generadores accionados por turbinas de viento (“molinos de viento”), se llaman aerogeneradores. Estos se agrupan en parques eólicos.
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Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.
Energía eólica
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Potencia de un aerogenerador
Repasa con esquemas. Física Bachillerato. Oxford educacion
Potencia de un aerogenerador
Physics for the IB Diploma. Cambridge
Energía solar
Celdas fotovoltaicas
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Report-fotografia.com
http://www.energiasolararagon.com/index2.html
Energía solar
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 53
VENTAJAS DESVENTAJAS
Producción muy limpia Sólo utilizable de día
Renovable No siempre disponible (nuboso)
Fuente de energía “libre” Baja densidad de energía. Se necesita una gran área para conseguir una cantidad significante de energía
Altos costes iniciales para la instalación
4.2. Energía solar
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VENTAJAS DESVENTAJAS
Producción muy limpia Sólo utilizable de día
Renovable No siempre disponible (nuboso)
Fuente de energía “libre” Baja densidad de energía. Se necesita una gran área para conseguir una cantidad significante de energía
Altos costes iniciales para la instalación
Tema 8. Producción de energía8.2 Transferencia de energía térmica
8.2.1 Conducción, convección y radiación térmica
8.2.2 Radiación del cuerpo negro
8.2.3 Albedo y emisividad
8.2.4 La constante solar
8.2.5 El efecto invernadero
8.2.6 El equilibrio energético en el sistema superficie-atmósfera de la Tierra
Definición de calor (Q)
Energía transferida entre cuerpos que tienen diferentes temperaturas
En el sistema internacional de unidades, SI, el calor se expresa en [J]: joules o julios
Formas de transmisión del calor
Comportamiento de la temperatura en el último siglo
Comportamiento de la temperatura en los últimos 2000 años
Comportamiento de la temperatura desde la prehistoria
Posibles causas:
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Variaciones en la composición de gases invernadero en la atmósfera
Concentrado.blogspot.com
Posibles causas:
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atinachile.cl
Variaciones en la composición de gases invernadero en la atmósfera
Posibles causas:
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 63
Manchas solares. foro.meteored.com
Variaciones en la actividad solar
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Clubdeastronomia.wordpress.com
Posibles causas:
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 65
Skepticalscience.com
Cambios cíclicos en la órbita de la Tierra
• Se aprecia una fuerte correlación entre los niveles de 𝐶𝑂2 y las temperaturas globales.
• Los niveles de 𝐶𝑂2 se elevan a su nivel más alto en los últimos 500 000 años.
• Algo diferente, puede estar por ocurrir en la Tierra.
Emisividad (e)
Relación de la potencia por unidad de área irradiada por el cuerpo y la potencia por unidad de área irradiada por un cuerpo negro a la misma temperatura.
Ley de Stefan-Boltzmann
La potencia irradiada por un cuerpo depende de su área superficial A, de la temperatura absoluta de la superficie T y de su naturaleza (emisividad)
𝑃 = 𝑒 ∙ 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ 𝑇4
𝑘 = 5.67 ∙ 10−8 W ∙ 𝑚−2 ∙ 𝐾−4
Si la temperatura del medio es nula
Ley de Stefan-Boltzmann
La potencia irradiada por un cuerpo depende de su área superficial A, de la temperatura absoluta de la superficie T y de su naturaleza (emisividad)
𝑃 = 𝑒 ∙ 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ 𝑇4 − 𝑇𝑎4
𝑘 = 5.67 ∙ 10−8 W ∙ 𝑚−2 ∙ 𝐾−4
Si la temperatura del medio 𝑇𝑎 no es nula
La energía radiada por un cuerpo es electromagnética y se distribuye en un rango infinito de longitudes de onda.
Ley de WienLa máxima energía es irradiada a una longitud de onda específica (𝜆𝑚𝑎𝑥), que depende de la temperatura del cuerpo (T)
𝜆𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑇 = 2.90 ∙ 10−3 𝐾 ∙ 𝑚
𝜆𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑇 = 2.90 ∙ 10−3 𝐾 ∙ 𝑚
La misma temperatura y tres emisividades distintas
Constante solar
El Sol emite una potencia de 3,9 ∙ 1026 𝑊La distancia media entre el Sol y la Tierra es 1,5 ∙ 1011 𝑚
La constante solar se denota como S y es la intensidad de radiación solar que llega a la parte externa de la atmósfera terrestre.
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La luminosidad del sol es P = 3,9 . 10 26 W.
Esta energía se distribuye uniformemente sobre la superficie de una esfera imaginaria de r = 1,50 . 10 11 m. (Distancia Sol-Tierra).
La constante solar es la cantidad de energía solar que llega por segundo a un área de 1 m2 de la atmósfera terrestre con los rayos del sol perpendiculares.
I = P/4 π r2 = 3,9 . 10 26 W/ 4 π (1,50 . 10 11 m)2 = 1380 W m-2, redondeada a 1400 W m-2 .
Puede variar ± 1,5% según la emisión del sol y ± 4% por la variación de la distancia Tierra-Sol (órbita elíptica).
Energía solar
Albedo (𝑎)Fracción de potencia disipada por el cuerpo en comparación con la potencia incidente.
Superficie Albedo
Cuerpo negro 0
Carbón 0,04
Nieve 0,85
Planeta Tierra 0,30
Desierto 0,3-0,4
Energía solar media que recibe la Tierra
𝐼𝑎𝑣 =1 − 0,3 ∙ 1400
4𝐼𝑎𝑣 = 245𝑊 ∙ 𝑚−2
Balance de energía
Balance de energía
𝐼 = 245𝑊 ∙ 𝑚−2
𝑃 = 𝑒 ∙ 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ 𝑇4 − 𝑇𝑎4
𝐼 = 𝑘 ∙ 𝑇4
𝑃 = 1 ∙ 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ 𝑇4 − 04
245 = 5.67 ∙ 10−8 ∙ 𝑇4
𝑇 = 256 𝐾 = −17°𝐶
Efecto invernadero es el calentamiento de la Tierra causado por la radiación infrarroja, emitida por la superficie de la Tierra, que es absorbida por varios gases en la atmósfera de la Tierra y luego se vuelve a irradiar en parte hacia la superficie. Los gases principalmente. Los responsables de esta absorción se llaman gases de efecto invernadero son agua vapor, dióxido de carbono, metano y óxido de nitrógeno
No influye en el calentamiento global
Le faltan algunas longitudes de onda del UV