Energc3ada Calor (1)

8/18/2019 Energc3ada Calor (1)

1/85


2/85


3/85


4/85

Energía

El Calor en las ReaccionesQuímicas

@orassemana: + Bréditos: 0*%

+


5/85

Programa

-ntroducción

Bon esta asignatura se in1ita al normalista a re4asar las concepciones intuiti1as y

científicamente erróneas so4re el concepto de energía# mediante un estudio cuidadoso de

los fenómenos )uímicos y de algunos desarrollos tecnológicos 1inculados con este tema*

Se anali3a en especial la forma en )ue el lengua7e colo)uial influye en las clases de

Química al emplear expresiones como Cgasto energéticoD# Cconsumo de energíaD# Ccrisis

energéticaD o Ccargar de energíaD# sin sustento científico* Se plantea una 1isión atracti1a#

pero al mismo tiempo crítica del término# con el fin de )ue se comprenda su potencialidad

y su aplica4ilidad* Este curso tam4ién pro1ee al estudiante de un con7unto de reflexionesdid/cticas )ue le permitan encontrar formas de tra4a7ar este concepto con los

adolescentes de la escuela secundaria*

El propósito fundamental de esta asignatura es continuar con el estudio de las reacciones

)uímicas introduciendo el aspecto energético# es decir# el de los intercam4ios de energía

)ue tienen lugar durante las reacciones*

El primer 4lo)ue del curso ;ace un an/lisis de los 4eneficios y usos de la energía para

nuestra sociedad actual# en contraste con los peligros potenciales de su a4asto# siemprecreciente* Se ;ar/ ;incapié en los aspectos energéticos de las reacciones )uímicas*

-nicialmente el curso conduce al alumno ;acia el esta4lecimiento de las diferencias entre

calor y temperatura con 4ase en situaciones pr/cticas y reflexi1as* Se parte del an/lisis de

los efectos del calor so4re los cuerpos y se llega al estudio de las características de la

dilatación en sólidos y lí)uidos? incluyendo su aplicación en la medición de la temperatura

por medio de termómetros y de las diferentes escalas termométricas* Se contina

;aciendo referencia a la transferencia de calor como producto de la diferencia de

temperatura# al calor como energía en tr/nsito y a los mecanismos de transmisión del

calor*

urante el tratamiento de los temas# el normalista de4e poner especial interés en la

importancia de la medición de la temperatura# en el uso y mane7o del termómetro con las

diferentes escalas )ue para tal efecto existen# así como la con1ersión de grados de una

,


6/85

escala a otra# con la finalidad de )ue dise6e acti1idades )ue le faciliten la ense6an3a de

estos temas# mediante situaciones pr/cticas# ale7adas de la simple mecani3ación de

fórmulas matem/ticas*

El alumno normalista se iniciar/ tam4ién en la comprensión de las leyes de la

termodin/mica a tra1és de e7emplos )ue permitan aplicar los conceptos de calor#

temperatura y energía )ue se ;an desarrollado a lo largo de esta asignatura y del resto de

la licenciatura*

Bomo e7ercicios de aplicación relacionados con la ense6an3a de los temas relacionados

con el calor y la temperatura se propone )ue el estudiante normalista dise6e estrategias

did/cticas para la demostración pr/ctica de la ley de la conser1ación de la energía* Al

anali3ar con detalle diferentes procesos# el estudiante entender/ )ue la transformación de

la energía implica cam4ios de una forma a otra# lo )ue incluye )ue una parte se con1iertaen calor*

Posteriormente se presentan los conceptos de entropía y energía li4re como criterios de

espontaneidad o de e)uili4ro de los procesos* Bon estos antecedentes se estudia el

e)uili4rio )uímico*

Es importante )ue el futuro docente ad)uiera criterios y estrategias did/cticas para )ue

los adolescentes de la escuela secundaria comprendan el grado de generali3ación de las

leyes de la termodin/mica y su aplicación en las reacciones )uímicas* Por lo mismo# elsegundo 4lo)ue del curso tiene como propósito fundamental proporcionar al futuro

docente elementos metodológicos para un me7or mane7o did/ctico de estos temas* Por

e7emplo# antes de este curso# de seguro el alumno normalista cree )ue al terminar una

reacción sólo existen productos# lo cual es una concepción errónea desde la perspecti1a

de la Química* En toda reacción )uímica los reacti1os forman productos# pero tam4ién

éstos pueden estar con1irtiéndose nue1amente en reacti1os# o sea# se tiene lo )ue se

conoce como un e)uili4rio din/mico* Es por ello )ue es necesario )ue el alumno

normalista cono3ca algunas concepciones e)ui1ocadas del tema )ue puedan tener losalumnos de la escuela secundaria para poder orientar su pr/ctica docente ;acia el cam4io

conceptual# actitudinal y procedimental* Al finali3ar este 4lo)ue se 1ol1er/ a recurrir al

modelo corpuscular de la materia para )ue se entienda la dificultad ense6ar este tema*

Así mismo# se re1isan las concepciones de los alumnos so4re las reacciones

endotérmicas y exotérmicas*

8


7/85

En el ltimo 4lo)ue# con el o47eto de )ue se analicen las implicaciones sociales de la

producción de energía mediante procesos )uímicos o fisico)uímicos# se retoma el tema

de la com4ustión desde la perspecti1a de la eficiencia energética# comparando diferentes

tipos de com4usti4les* Asimismo# el tema de la energía nuclear# adem/s de proporcionar

información so4re este proceso# permite la discusión so4re 1alores y actitudesrelacionados con el cuidado am4iental y la preser1ación de la salud indi1idual y colecti1a*

Es importante re1isar di1ersas fuentes de información y organi3ar de4ates so4re estos

temas# para seguir contri4uyendo a fomentar el escepticismo informado# así como la

necesidad de actuali3arse permanentemente# en especial so4re la relación entre las

reacciones )uímicas y las fuentes energéticas*

.rientaciones did/cticas generales

En la descripción de los propósitos y los contenidos de los 4lo)ues )ue conforman este

curso se ;an incluido orientaciones 4/sicas )ue lle1an al estudiante a un tratamiento

detallado de cada tema# y se sugieren una serie de acti1idades para cu4rir sesiones de

dos ;oras* A continuación se enuncian algunas líneas de tra4a7o )ue sería con1eniente

desarrollar a lo largo del curso*

'* Lograr una conocimiento de los fines y del contenido de este programa )ue sea

compartido por el maestro y los alumnos* Ser/ pro1ec;oso )ue# al iniciarse el

curso# el maestro y el grupo analicen con7untamente el programa# para )ue

)ueden claros sus propósitos formati1os# la secuencia de sus componentes y el

tipo de tra4a7o )ue se espera de cada )uién* urante el curso# cuando sea

necesario# de4er/ regresarse a la lectura del programa para precisar por )ué y

para )ué tra4a7ar determinados contenidos y acti1idades*

$* Apro1ec;ar los conocimientos y experiencias del alumno# iniciando cada sesión de

tra4a7o con su clarificación y recuperación# pues se pretende lograr el

acercamiento al conocimiento científico# tomando como 4ase los conocimientos

pre1iamente ad)uiridos*

&* Asegurar una lectura comprensi1a de la 4i4liografía 4/sica y 1incular las ideas )ue

en ella se presentan con las acti1idades )ue se realicen en clase y con las la4ores

externas de los alumnos en la o4ser1ación del proceso escolar* e4e e1itarse el

riesgo comn de )ue el material de la lectura sea 1isto como algo a7eno al tra4a7o

aplicado# )ue se lee por o4ligación y est/ su7eto a formas poco eficaces de control*

0


8/85

e4e asumirse )ue la me7or forma de demostrar una 4uena lectura es incorporar

su contenido al an/lisis# la discusión y la acti1idad pr/ctica*

+* -ncluir en el programa de tra4a7o del grupo acti1idades en las cuales los

estudiantes lle1en a la pr/ctica las o4ser1aciones y la indagación )ue# en temas

especialmente rele1antes# los programas de educación secundaria# el li4ro para elmaestro y los li4ros de texto proponen para los alumnos de secundaria* Ello

permitir/ )ue los futuros maestros experimenten situaciones )ue 1i1ir/n sus

alumnos y puedan anticipar algunos de los retos y dificultades pedagógicas )ue

enfrentar/n en su 1ida profesional*

,* Promo1er sistem/ticamente la o4ser1ación y la interrelación de los estudiantes

normalistas con los adolescentes en edad escolar# a propósito del conocimiento de

la naturale3a y el aprendi3a7e de la Química* =na oportunidad de ;acerlo la ofrece

la asignatura .4ser1ación y Pr/ctica ocente# sin em4argo# se de4er/ alentar alos estudiantes para )ue 4us)uen y apro1ec;en# con ese fin# todas las ocasiones

informales posi4les# sea con grupos escolares a los )ue tengan acceso o con

adolescentes de su entorno familiar y de residencia*


9/85

grupo de tra4a7o* En este ltimo caso# ;a4r/n de o4ser1arse ciertas normas

mínimas )ue aseguren la eficacia de esta modalidad de organi3ación did/ctica: la

planeación clara del tra4a7o# la distri4ución e)uitati1a de las tareas y el car/cter

realmente colecti1o del an/lisis# la discusión y la ela4oración del resultado final del

tra4a7o* Estas normas son tiles por)ue e1itar/n una frecuente deformación deltra4a7o de e)uipo# )ue fracciona temas de aprendi3a7e# no permite )ue los

estudiantes 1isualicen los contenidos en su con7unto y oculta dese)uili4rios

in7ustos en el esfuer3o reali3ado por cada alumno* Se sugiere esta4lecer como

criterio )ue los e)uipos no se integren con m/s de cinco alumnos*

9* Propiciar la redacción de notas de lectura# registros de o4ser1ación y de

resultados de los experimentos# dise6os de acti1idades did/cticas para el tra4a7o

en el aula de la escuela secundaria# entre otras* Es con1eniente )ue cada alumno

integre a lo largo del curso una carpeta personal con los productos delaprendi3a7e# la )ue le ser/ til para el ordenamiento y la clasificación de su tra4a7o#

para consultarla durante los siguientes semestres en su futuro tra4a7o profesional

y# e1entualmente# como elemento para la e1aluación*

2* Propiciar el an/lisis de los resultados de las 7ornadas de o4ser1ación y pr/ctica

docente*

Sugerencias para la e1aluación

Los criterios y procedimientos )ue se definen para e1aluar los conocimientos# ;a4ilidades

y actitudes )ue los estudiantes ad)uieren durante el estudio de los temas del curso#

de4en ser congruentes con los propósitos y las orientaciones did/cticas )ue se ;an

se6alado*

Es necesario tener en cuenta )ue la e1aluación# entendida como proceso permanente#

permite identificar no sólo los a1ances y las dificultades en el aprendi3a7e de los

estudiantes# sino )ue tam4ién aporta información )ue el maestro puede apro1ec;ar para

tomar decisiones )ue contri4uyan a me7orar sus formas de ense6an3a*Para )ue los estudiantes tomen conciencia de los compromisos y tareas )ue les

corresponde asumir# es con1eniente )ue al iniciar el curso acuerden con el maestro los

criterios y procedimientos )ue se aplicar/n para e1aluar* e esta manera tendr/n los

elementos 4/sicos para reconocer a)uellos campos específicos en )ue re)uieren

fortalecer su formación profesional*

2


10/85

Las características de este curso y el tipo de acti1idades )ue se reali3an re)uieren de

pr/cticas de e1aluación di1ersas )ue den e1idencias no sólo de conocimientos )ue se

ad)uieren# sino de las actitudes )ue los alumnos manifiestan ante el tra4a7o indi1idual y

de grupo# ;acia los adolescentes y ;acia la naturale3a*

Para e1aluar# de4en apro1ec;arse la participación de los alumnos en la clase# los textosescritos y las indagaciones )ue realicen* En este caso# la e1aluación no re)uiere de

acciones ni productos distintos de los )ue se generan en el proceso mismo de ense6ar y

aprender* Buando se considere necesario )ue los alumnos muestren sus ni1eles de logro

por medio de un desempe6o destinado específicamente a la e1aluación# los instrumentos

)ue se eli7an de4en plantear retos para )ue los estudiantes apli)uen su capacidad de

an/lisis# 7uicio crítico# comprensión# relación# síntesis y argumentación# y proporcionar

información so4re rasgos como los )ue se enuncian enseguida*

El interés )ue muestran los estudiantes por acercarse al conocimientos científico* La comprensión de las intenciones educati1as de la ense6an3a de la Química en

la escuela secundaria# a partir del an/lisis de los contenidos propuestos en los

programas de estudio de este ni1el*

La ;a4ilidad para 1incular las ela4oraciones teóricas con el an/lisis de las

situaciones educati1as relacionadas con la ense6an3a y el aprendi3a7e de la

Química*

La capacidad para dise6ar# mediante el conocimiento y uso efica3 de los li4ros de

texto y otros recursos educati1os y del medio# estrategias did/cticas )ue estimulen

en los adolescentes las ;a4ilidades y actitudes propias de la indagación y del

pensamiento científicos*

Para lograr lo anterior se sugiere tomar como 4ase las recomendaciones de e1aluación de

los li4ros para el maestro de 5iología#


11/85

.rgani3ación por 4lo)ues*

Bloque I. La energía en sus diferentes presentaciones.

Tema '* -mportancia de la energía* El concepto de energía# sutransformación# transferencia# degradación y conser1ación*

Tema $* Balor y temperatura* "edición de la temperatura* !aturale3a de latemperatura y del calor* "ecanismos de transmisión del calor*

Tema &* Primera ley de la termodin/mica* Sistemas endotérmicos yexotérmicos* Ley de @ess*

Tema +* Segunda ley de la termodin/mica* Entropía# e)uili4rio )uímico y defases* Energías li4res*

5i4liografía 5/sica5rescia# Arents# "eislic; y TurF# Ed* Primera Ley de la termodin/mica# Segunda Ley de laTermodin/mica# en C&%0 y ,,%>,,9*

Acti1idades Sugeridas

'* eali3ar la lectura de !aturale3a de la energía# en Química la Biencia Bentral#5roGn Le "ay 5rusten* Ed* Pearson Educación 0H* Edición '229* pp* '+,>'+0* y

en plenaria discutir las propuestas de


12/85

&* En sesión 4i4liogr/fica re1ise lo correspondiente al experimento de Koule#

descrí4alo y preséntelo en plenaria al grupo* Adem/s lea La primera Ley de la

termodin/mica en Química la Biencia Bentral# 5raGn Le "ay 5rusten* Ed*

Pearson Educación 0H* Edición '229* pp*'+0>','* y en 99 y en Química la Biencia

Bentral# 5raGn Le "ay 5rusten* Ed* Pearson Educación 0H* Edición '229* pp*','>

',8* Y reali3ar una discusión so4re cada uno de los términos y la deducción de las

formulas correspondientes* eali3ando e7ercicios de aplicación*

,* e igual forma en sesión 4i4liogr/fica lea Balorimetría y re1ise con su profesor los

siguientes aspectos* Bapacidad calorífica# Balor específico# Balorimetría a presión

constante en Química la Biencia Bentral# 5raGn Le "ay 5rusten* Ed* PearsonEducación 0H* Edición '229* pp*',8>'8$* resol1iendo e7ercicios de aplicación*

esuel1a los e7ercicios del 8 al 2 de la pp* 20 y 29 de


13/85

Al suministrar igual cantidad de calor a dos masas iguales de co4re y de ;ielos 1ariar/ la

temperatura de las masas en igual proporciónM Explica*

Ela4ora un experimento )ue confirme o refute la siguiente expresión: “Si a dos cantidades

diferentes de la misma sustancia se les suministra igual cantidad de calor, las variaciones

de temperatura son diferentes.esuel1e los siguientes e7ercicios:

=na l/mina de esta6o de $,% g se calienta pasando su temperatura de '8*,O B a &9*&O B*

Qué cantidad de calor se de4ió suministrarM

=n 1idrio de '$% g aumentó su temperatura en %*9O B* )ué cantidad de calor a4sor4ió del

am4ienteM

=na 4ala de plomo de 8+ g a4sor4e &9% cal por el ro3amiento con un 4lo)ue de madera

donde penetra* En cu/nto aumentó la temperatura de la 4alaM

=n peda3o de plomo de $,% g se calienta a ''$O B y se ec;a en ,%% g de aguainicialmente a '9O B* espreciando la capacidad calorífica del recipiente# Bu/l es la

temperatura final del plomo y del aguaM

=na pie3a de fundición de +% g* se enfría desde 8%%O B ;asta 9%O B# coloc/ndola en

agua cuya temperatura inicial era de '$O B* Bu/nta agua se ;a empleadoM

0* e1isa en la 4i4liografía Entalpía y Ley de @ess# por e7emplo en '80 y '8$>'8+ respecti1amente* Y

resuel1e los pro4lemas de '% al &% pp* 29>'%'* de 0$'* y reali3a los e7ercicios '2*' a '2*,+ de las pp* 0',>0'9# de tal forma

)ue por alumno desarrolle de & a , e7ercicios y discutir en plenaria las dudas )ue

resulten de la e7ecución de los mismos*

Bloque II. Las dificultades en la enseñana ! el aprendia"e del tema de energía.

'&


14/85

Tema '* La conceptuali3ación del término energía y su conser1ación:

errores conceptuales m/s comunes*

Tema $* Boncepciones alternati1as so4re energía )uímica*

Tema &* El modelo corpuscular y las reacciones endotérmicas yexotérmicas: cómo las entienden los alumnos*

5i4liografía 5/sica

B/rdenas# "* y S* agout de Lo3ano I'228J# CExplicaciones de procesos termodin/micos a partirdel modelo corpuscular: una propuesta did/cticaD# en Enseñanza de las ciencias# 1ol* '+# nm* 5arcelona# -BE de la =ni1ersitat Autónoma de 5arcelonaRice>rectorat d-n1estigació de la=ni1ersitat de Ralencia# pp* &+&>&+2*

ri1er# *# A* S)uires# P* us;Gort; y R* ood>o4isnson I'222J# CEnergíaD# en Dando sentido a laciencia en secundaria. Investigaciones sobre las ideas de los niños# "adrid# Aprendi3a7e Risor# pp*'90>'2$*

all/stegui .tero# K** y


15/85

Anali3a cada una de las respuestas en plenaria y desarrolla una ta4la de dificultades

)ue pudieron encontrarse para ;a4lar de estos temas* En especifico determine )ue

tan ale7ado se encuentran sus resultados de los o4tenidos en una relación a la re1isión

4i4liogr/fica en los li4ros de Secundaria# tanto de -ntroducción a al Química#

Química ' y Química $* eporte y concluya*

$* ealice la lectura de CAlgunas dificultades en torno a la conser1ación de la

energíaD# en Enseñanza de las ciencias# 1ol* '8# nm* 5arcelona# -BE de la

=ni1ersitat AutWnoma de 5arcelonaRice>rectorat d-n1estigació de la =ni1ersitat de

Ralencia# pp* &90>&20* Bon el fin de tener mayor información realice , entre1istas a

estudiantes de secundaria# en las cuales el concepto principal sea la Energía y su

conser1ación* Bompare los resultados o4tenidos de sus entre1istas con los de sus

compa6eros y concluyan reali3ando una plenaria* Tome como 4ase la lectura*

&* ealice la lectura CEl café tiene cafeína y nos despierta# nos da energía:

Boncepciones so4re la energía )uímica# una 4uena ra3ón para poner de acuerdo

a los profesores de física y )uímica y ciencias naturalesD# en Enseñanza de las

ciencias# 1ol* ''# nm* 5arcelona# -BE de la =ni1ersitat AutWnoma de

5arcelonaRice>rectorat d-n1estigació de la =ni1ersitat de Ralencia# pp* $%>$,* En

4ase a la lectura dise6e por e)uipos de tres alumnos dos experimentos donde se

1ea in1olucrada la energía )uímica# en su la4oratorio ;aga la presentación de losmismos y concluya*

+* Bada uno de los experimentos antes reali3ados de4er/ desarrollar con un

programa de cómputo la simulación de los mismos# en el salón de clases y en

plenaria se reali3ar/ la presentación de este material did/ctico*

,* e igual forma Ien e)uipos de tres alumnosJ determinen pr/cticas de la4oratorio

)ue demuestren las reacciones endotérmicas y exotérmicas# antes de reali3arlas

preséntalas a tu profesor# y analicen la posi4ilidad de e7ecución# cuando el profesor

autorice ;agan la demostración en el la4oratorio* Tomen todas las medidas

necesarias para la reali3ación de las mismas* Bomo tra4a7o final de la acti1idad

entregue un reporte )ue contenga las o4ser1aciones y conclusiones a lo )ue se

llego pr/ctica y conceptualmente*

',


16/85

8* ealice extra clase la lectura Explicaciones de procesos termodin/micos a partir

del modelo corpuscular: una propuesta did/cticaD# en Enseñanza de las ciencias#

1ol* '+# nm* 5arcelona# -BE de la =ni1ersitat AutWnoma de 5arcelonaRice>

rectorat d-n1estigació de la =ni1ersitat de Ralencia# pp* &+&>&+2* Y compare las

conclusiones )ue llegan los autores# con las )ue ustedes o4tu1ieron en laacti1idad anterior*

Bloque III. La energía ! la química en el mundo contempor#neo

Tema '* Bom4usti4les y energía: car4ón mineral# petróleo y gas natural*

asolinas y octana7e*

Tema $* La energía nuclear en la sociedad actual* iesgos y 4eneficios desu uso* .pciones energéticas alternati1as*

5i4liografía 5/sica

AAAS I'220J# CTransformaciones de la energíaD y CLos recursos energéticos y su usoD# en iencia!conocimiento para todos# .xford =ni1ersity PressSEP I5i4lioteca del !ormalistaJ# "éxico# pp* ,%>,& y ''9>'$$*

American B;emical Society I'229J Cesintegración radiacti1a naturalD y CEnergía nuclear: fuente de

poder del uni1ersoD# CBómo 1i1ir con riesgos y 4eneficiosD# en Quimom. Química en laomunidad # elaGare# E*=*A*# Addison esley -4eroamericana# pp* $2,>$22# &%9>&',# &'8>&&+*

arrit3 ui3# Andoni# CEnergía# )uímica y sociedadD# en


17/85

&* ealice la lectura de CEl oro solar y otras fuentes de energía de Kuan Tonda* Y

comente en plenaria cuales son las circunstancias adecuadas del tra4a7o con la

energía nuclear y cuales pueden ser los efectos negati1os del uso de esta

energía* Boncluya en plenaria y entre sus reflexiones al profesor por escrito*

Bi$liografía complementaria

Arnold# "iFe y o4in "illar I'22+J# CB;ildrens and lay adults 1ieGs a4out t;ermal e)uili4riumD# enInternational $ournal of Science Education# 1ol* '8# nm* +# eino =nido# pp* +%,>+'2*

Asimo1# -saac I'292J# Ceacciones nuclearesD# en 'reve historia de la Química# "éxico# Alian3aEditorial IEl li4ro de 4olsillo# no* ,9%J# pp* $$9>$+$*

arrit3# Andoni y K* A* B;ami3o I'22+J# CEnergía y termo)uímicaD# CSegunda ley de latermodin/micaD# en Química# ilmington# elaGare# E*=*A*# Addison>esley -4eroamericana# pp*

,8&>8'+# 8',>8&,*

Po3o# K* -* y "* A* óme3 I'229J# CLa energíaD# en (prender ) enseñar ciencia# "adrid# "* E* B*"orata# pp* $'+>$'0*

'0


18/85

Antología

'9


19/85

EL %R% &%LAR ' %(RA& )*E+(E& ,E E+ER-A

Autor Kuan TondaPrimera edición# '22&i4u7os: Al4erto * arcía# so4re dise6os del autorLa Biencia desde "éxico es proyecto y propiedad del


20/85

anterior fracaso? a;ora puedo producir una l/mpara eléctricaduradera por medio de car4ones incandescentes*

A6os después# antes de )ue se reali3ara el 7uicio por la primacía del in1ento# SGan y

Edison se unieron y formaron la compa6ía Edison and SGan =nited Electric Bompany#

Ltd* )ue m/s tarde se con1ertiría en la eneral Electric*

En la época de Edison se producía energía eléctrica para iluminar las ciudades con los

primeros focos eléctricos? el pro4lema fundamental )ue éstos presenta4an era no

disponer de un filamento duradero I1éase la figura 'J*

)igura 0. ,iagrama de un foco en el que pueden apreciarse las partes que lo componen.

Los a1ances tecnológicos se asimilan r/pidamente* Sin em4argo# ol1idamos con facilidad

la ;istoria de su desarrollo y cu/les son sus principios de operación* La primera

locomotora# por e7emplo# pro1ocó serias protestas de los ingleses por las ele1adas

1elocidades )ue alcan3a4a* En "éxico# la ciudadanía tam4ién protestó cuando

aparecieron las primeras 4icicletas )ue circula4an por la Alameda central? ;oy# cu/ntos

ciclistas se atre1en a circular por las calles de la capitalM Buando prendemos un foco#

sa4emos )ue tiene un filamento de tungsteno y torio )ue permite )ue dure 0,% ;oras

encendidoM

A tra1és de los a6os el ;om4re ;a perfeccionado la capacidad de ;acer tra4a7os )ue

re)uieran grandes esfuer3os físicos# para de7ar a las m/)uinas las tareas pesadas y

dedicarse a la4ores m/s creati1as? sin em4argo# como consecuencia ;a aumentado el

consumo de energía por ;a4itante# el cual es m/s alto en los países desarrollados* Por

otro lado# las m/)uinas ;an acortado el tiempo )ue se re)uería para desempe6ar muc;as

$%


21/85

acti1idades# por lo cual es fundamental producir energía utili3a4le a tra1és de las

diferentes fuentes* Buando se ;a4la de energéticos nos referimos al apro1ec;amiento de

dic;as fuentes# así como a su óptima utili3ación*

Los energéticos ;an e1olucionado a lo largo de la ;istoria* Primero se utili3ó la energía

mec/nica de los msculos para efectuar las la4ores pesadas* Posteriormente# las4estias de carga y la tracción animal facilitaron an m/s el transporte de cargas

pesadas* A)uí 1ale la pena aclarar )ue los animales# incluido el ;om4re# necesitan de una

fuente de energía fundamental para efectuar tra4a7o: los alimentos* e esta forma# los

alimentos eran y son la fuente energética fundamental para desempe6ar cual)uier

acti1idad*

La madera ocupó durante muc;os siglos el primer lugar como fuente energética y ;oy se

sigue utili3ando ampliamente# so4re todo en el campo* esde )ue el ;om4re ;i3o la

primera fogata# ;asta a;ora )ue se calienta en una c;imenea casera# ;an pasado miles ymiles de a6os* Posteriormente# el empleo del car4ón ocasionó )ue se a4andonara la le6a

como com4usti4le fundamental* Adem/s# su transformación en co)ue y el in1ento de la

m/)uina de 1apor marcaron un cam4io tecnológico# económico y social de gran

importancia: la e1olución -ndustrial*

Pocos a6os antes del inicio de la primera uerra "undial se empe3ó a emplear el

petróleo y el gas* Antes de )ue terminara la segunda uerra "undial#


22/85

fuentes energéticas Igeotermia# car4ón# energía ;idr/ulica# petróleo# energía nuclear#

energía solar y eólicaJ* Pese a lo anterior# los recursos energéticos )ue posee cada país

constituyen un factor importante para adoptar una política energética* =n país sin

petróleo# car4ón# geotermia y con 4a7a insolación o soleamiento# difícilmente puede

apro1ec;ar distintas fuentes de energía*La transformación de las fuentes de energía en di1ersas formas de energía utili3a4les nos

proporciona gran cantidad de 4eneficios: tener electricidad# agua caliente# gas para

cocinar# calefacción# refrigeración# 1entilación# transporte# etcétera*

La energía ;idr/ulica# la )ue se o4tiene del petróleo# el gas# la energía eólica o de los

1ientos y la )ue se o4tiene de la 4iomasa tienen un origen comn: la energía del Sol* Por

otro lado# las fuentes de energía )ue no tienen un origen solar son: la energía de la fisión

nuclear# la geotermia y la )ue se o4tiene de las mareas* La fusión nuclear es un caso

aparte# dado )ue se reproducen en condiciones artificiales las reacciones termonuclearesde fusión )ue tienen lugar en el ncleo de nuestra estrella: el Sol* La energía solar es

producto de las reacciones de fusión nuclear )ue ocurren en el Sol? así# la energía )ue

reci4imos del Sol tiene como origen la energía nuclear*

Segn una de las teorías m/s aceptadas# el petróleo# el gas y el car4ón pro1ienen de la

descomposición de organismos 1egetales y animales )ue 1i1ieron ;ace &%% millones de

a6os y )ue fueron sepultados 4a7o el suelo marino y continental* Por otro lado# en las

plantas se lle1a a ca4o la fotosíntesis de4ido a la acción de los rayos solares y éstas

almacenan aproximadamente el '\ de la energía solar reci4ida* Así# los com4usti4lesfósiles como el petróleo# el gas y el car4ón# la energía )ue se o4tiene de las plantas#

/r4oles# desec;os org/nicos y los alimentos )ue consume el ;om4re son de origen solar*

La energía )ue las centrales ;idroeléctricas apro1ec;an de los ríos se de4e a la

e1aporación del agua de los océanos# pro1ocada por el calentamiento de los rayos

solares* Posteriormente# al caer el agua desde diferentes alturas# se transforma la energía

potencial de los ríos en energía eléctrica* El 1iento se origina por la diferencia de

temperaturas en la atmósfera terrestre# pro1ocada por la forma en )ue inciden los rayos

solares# en com4inación con la rotación de la TierraSin em4argo# la energía solar seorigina por la fusión de los ncleos atómicos# donde se funden elementos ligeros como el

;idrógeno y en el proceso se li4eran grandes cantidades de energía en forma de calor#

)ue se calculan usando la famosa fórmula de Einstein )ue proporciona la e)ui1alencia

entre masa y energía: E]mc^ Idonde E es la energía# m la masa y c la 1elocidad de la

lu3J? parte de la masa de los ncleos atómicos se transforma en energía calorífica# )ue es

$$


23/85

precisamente la )ue el Sol nos proporciona en forma de radiación* Por e7emplo# si se

unen cuatro ncleos de ;idrógeno se forma ;elio# electrones positi1os IpositronesJ# rayos

gamma y calor* Si se calcula la masa de los productos antes y después de la reacción de

fusión nuclear se o4ser1ar/ una diferencia o defecto de masa faltante después de la

reacción* e4ido a )ue la energía de4e conser1arse antes y después de la reacción# lamasa faltante se transforma en energía calorífica* En el caso de la reacción mencionada#

cuando se fusionan cuatro ncleos de ;idrógeno se produce un ncleo de ;elio# neutrinos#

positrones# rayos gamma y se li4eran $,*0 "eR Imegaelectrón>1oltsJ de energía

calorífica* Para darse una idea de lo )ue representa esta cantidad# la fusión nuclear )ue

tu1iera lugar en un pe)ue6o cuarto de dos metros por lado 4astaría para producir m/s

energía )ue el reactor de Laguna Rerde*

1. *+ E&(*,IA+(E C%+ 2*C3A E+ER-A ' P%CA P%(E+CIA

Buando inclinamos la ca4e3a y fi7amos la 1ista para leer estas líneas nuestro cuerpo est/

empleando 9+ Filocalorías por cada ;ora de lectura* Pero esas 9+ Filocalorías )ue

empleamos para leer# el cuerpo las de4e recuperar mediante nuestra fuente de energía:

los alimentos* =n ser ;umano promedio de4e consumir alimentos )ue le proporcionen

&%%% Filocalorías diarias*

Pero a;ora surge una pregunta: por )ué tenemos )ue recuperar la energía )ue

in1ertimos en la lecturaM La respuesta no es sencilla? para responderla tu1ieron )ue pasar

1arios siglos ;asta )ue se descu4riera entre '9&% y '9,% el principio de la conser1ación

de la energía# )ue afirma )ue ésta no se crea ni se destruye# nicamente se transforma# o

expresada esta idea en forma general: la energía del =ni1erso se mantiene constante*

Rol1iendo a nuestro caso# la energía )ue nos proporcionan los alimentos se transforma en

energía utili3a4le para desempe6ar todas nuestras acti1idades* Para a)uellos )ue se

estén )uedando dormidos# sólo mencionaremos )ue se consumen ,%% Filocalorías

durante 9 ;oras de sue6o Ialrededor de '8 de la energía )ue necesitamos diariamenteJ#

pues el organismo ;umano re)uiere cierta cantidad de energía para )ue todos los

órganos tra4a7en adecuadamente y se lle1en a ca4o los procesos fisiológicos del

organismo Iesta cantidad se denomina meta4olismo 4asal y corresponde a m/s de lamitad de la energía )ue consumimos a tra1és de los alimentosJ*

Antiguamente se creía )ue podía existir una m/)uina capa3 de mo1erse indefinidamentey se le denominó mó1il o m/)uina de mo1imiento perpetuo I1éase el recuadro 'J* =nam/)uina cuyo nico resultado fuera extraer calor y con1ertirlo íntegramente en tra4a7osería un mó1il perpetuo de segunda clase? es decir# una m/)uina )ue efectuara tra4a7osin una fuente externa de energía* Los 4eneficios )ue nos reportarían estas m/)uinas

$&


24/85

serían in1alua4les? sin em4argo# las leyes de la termodin/mica se ;an encargado dedemostrar )ue su construcción es imposi4le*

Recuadro 0"+zaro arnot ) "a %eal (cademia de iencias de arís. En el a6o

de '00,# la Academia de Biencias de París ;a4ía tomado unadecisión: no examinaría ninguna solución a los pro4lemas de laduplicación del cu4o# la cuadratura del círculo# ni anali3aría ningunam/)uina de mo1imiento perpetuo*L/3aro Barnot# padre de Sadi Barnot# tam4ién ;a4ía declarado: esintil )ue se les expli)ue )ue toda m/)uina se reduce a unapalanca? al parecer el símil se les ;ace demasiado 1ago y confuso*Yo puedo demostrarles no solamente )ue toda m/)uinaa4andonada a sí misma tiene )ue detenerse# sino )ue adem/s#puedo se6alar el instante preciso en )ue de4e ;acerlo*

Por e7emplo# si tomamos una rueda y le damos un impulso inicial para )ue gire# al ca4o de

un tiempo la fricción pro1ocar/ )ue parte de la energía )ue se utili3ó para mo1erla por un

lado se transforme en energía calorífica del aire )ue la rodea y por el otro ocasione el

calentamiento de la rueda* Así# la fricción pro1ocar/ )ue la rueda se detenga*

La ley de la conser1ación de la energía se formuló entre '9&% y '9,%# gracias al tra4a7o

de muc;os científicos# entre los )ue podemos mencionar a @erman 1on @elm;olt3# Kames

Prescott Koule# Kulius o4ert "ayer y Lud1ig Bolding* Esta ley afirma )ue la energía no

puede crearse ni destruirse# de manera )ue la energía total de un sistema permanecer/

constante*

La primera ley de la termodin/mica no es otra cosa )ue la ley de conser1ación de la

energía para los sistemas termodin/micos# es decir# a)uellos en los )ue inter1iene el

calor* Expresada matem/ticamente# ésta se6ala )ue el cam4io de energía interna de un

sistema es igual a la energía reci4ida en forma de tra4a7o externo ;ec;o so4re el sistema

m/s la energía en forma de calor )ue a4sor4e dic;o sistema I = _]Q# donde = es el

cam4io de energía interna# es el tra4a7o y Q la energía caloríficaJ*

A partir de la formulación de la ley de la conser1ación de la energía )uedó esta4lecido )ue

es imposi4le construir una m/)uina capa3 de crear energía# a la cual se le denominó

m/)uina de mo1imiento perpetuo de primera clase* La ley de conser1ación de la energíapara los sistemas termodin/micos permite transformar energía calorífica en tra4a7o y

tra4a7o en energía calorífica* Pero en los procesos naturales se o4ser1ó )ue el tra4a7o

)ue reali3a una m/)uina sí se puede transformar totalmente en calor# aun)ue la energía

calorífica no se puede transformar totalmente en tra4a7o*

$+


25/85


26/85

)igura 1. Cadena de &te4inus de Bru"as. En esta figura se o$ser4a unplano inclinado que tiene una cadena con $alines. Como de A a B 5a!

cuatro $alines ! de B a C 5a! dos6 se podrían pensar que los cuatro$alines del lado iquierdo "alaran a los dos que 5a! en el lado derec5o6por simple diferencia de pesos. &i a esto añadimos que la cadena escontinua6 entonces se mo4er# indefinidamente7 con ello se tendría unam#quina de mo4imiento perpetuo. Afortunadamente6 &imon &te4inusdescartó dic5a posi$ilidad ! señaló que la cadena quedaría en equili$rio.

Sin em4argo# existe otro pro4lema: los alimentos )ue consumimos proporcionan m/s

energía de la )ue empleamos para desempe6ar nuestras acti1idades* ónde )ueda la

energía sobrante )ue nos proporcionan los alimentosM !o ;a4íamos se6alado )ue la

energía se conser1aM Efecti1amente# pero cuando efectuamos un tra4a7o muscular# parte

de la energía se pierde en forma de calor y si los alimentos tienen grasa# una parte se

acumula en las llantitas de nuestro cuerpo I1éase el cuadro - )ue muestra la energía de

algunos alimentosJ*

CUADRO I. Energía de los alimentos 8en 9ilo"oules:.

9;8por cada 0


27/85

ar4an3o '#,$$*2B;íc;aro '#+'%*%Lente7as '#+$$*,Baca;uates tostados $#&89*'Boco '#$&9*+!ue3 de aca7 $#&&%*%

Pistac;es $#,%$*% A7o ,8%*8 Apio 02*+Bala4a3a '$,*,Be4olla '99*$Bol ''0*'Boliflor '&9*%Esp/rrago 28*%Espinaca '$,*,@a4a +2&*0


28/85

Tocino $#8%+*2 Atn '#$%+*2Bamarón &,2*9.stión '9+*%


29/85

"uc;as acti1idades ;umanas re)uieren grandes esfuer3os corporales? por esto# es

desea4le )ue las m/)uinas realicen el tra4a7o pesado# para de7ar al ;om4re las tareas

m/s creati1as* Sin em4argo# la conser1ación de la energía nue1amente ;ace su

aparición* Para )ue las m/)uinas realicen tra4a7o se re)uiere una fuente de energía# uncom4usti4le )ue# al igual )ue los alimentos# pro1ea la energía necesaria para reali3arlo* El

desgaste físico y el tiempo )ue se necesita para ir caminando de la ciudad de "éxico a

Buerna1aca es enorme si se compara con lo )ue se consume cuando se ;ace el 1ia7e en

camión Iaun)ue lo )ue pagamos por el camión ;u4iera alcan3ado para in1itarle un

refresco a cada pasa7ero en Tres "arías si ;iciéramos el 1ia7e a pieJ* La gran 1enta7a del

camión es )ue el motor reali3a el tra4a7o# en lugar de nuestro cuerpo? adem/s# la potencia

)ue desarrolla el camión# es decir# la energía por unidad de tiempo# es mayor )ue la de

nuestro cuerpo*

Por otro lado# ni nuestro cuerpo# ni un motor de camión transforman toda la energía en

tra4a7o mec/nico# ine1ita4lemente una parte se transforma en calor y es irrecupera4le*

Sadi Barnot se encargó de demostrar en su li4ro %efle-iones sobre la potencia motriz de

fuego I1éase el recuadro $J# de '9$+# )ue la eficiencia teórica m/xima a la )ue opera

cual)uier m/)uina térmica es:

donde Tmax* es la temperatura m/xima y Tmin* es la mínima*

.tra forma e)ui1alente de expresar la eficiencia es considerando )ue la temperatura

m/xima es la de entrada y la mínima es la de salida* Entonces la fórmula sería:

Recuadro 1Sadi arnot ) la eficiencia de las m+#uinas trmicas. La potencia motri3del calor es independiente del agente empleado para reali3arla# sumagnitud est/ fi7ada nicamente por la temperatura de los cuerpos entrelos )ue se efecta# a fin de cuentas# su transferencia*

$2


30/85

Por e7emplo# una m/)uina de 1apor tiene una temperatura m/xima de $%% grados

Belsius# es decir# )ue el agua )ue entra a la caldera tiene esa temperatura m/xima# y la

temperatura mínima es de '%% grados# )ue es la temperatura a la cual se elimina el 1apor

a la atmósfera* Por lo tanto# la eficiencia Isi se con1ierten los grados Belsius a el1in#

para lo cual 4astar/ sumar $0&*'8 a cada temperaturaJ ser/ de $'\* Aun)ue en lapr/ctica# como existen pérdidas de calor de otro tipo Ifricción# tur4ulencia# conducción de

calor# me3cla de diferentes sustancias# etcéteraJ# la eficiencia real de estas m/)uinas es

de ',\* La eficiencia real de un motor de automó1il comn es de $$\* La temperatura

m/xima )ue alcan3a la gasolina me3clada con el aire en el interior del motor es de

alrededor de '$%OB# mientras )ue la temperatura a la )ue salen expulsados los gases es

de ,%OB aproximadamente# )ue sería la temperatura mínima* En el caso de los motores

diesel la eficiencia es de +%\* En todas las m/)uinas térmicas existe un fluido o gas )ue

alcan3a tanto la temperatura m/xima como la mínima* En una caldera es el 1apor de aguay en un automó1il es la gasolina o el diesel*

En todas las m/)uinas térmicas a las )ue se refiere Barnot# la eficiencia teórica m/xima

es de poco menos del 8%\? es decir# )ue no puede existir una m/)uina térmica con una

eficiencia superior a este 1alor I1éase el recuadro &J*

Recuadro >

Denis apin ) la olla e-press. Buando el físico francés enis Papinpresentó su in1ento de la olla express ante la eal Sociedad de Londres#la olla estalló frente a los distinguidos miem4ros* Posteriormente# solicitóotra demostración# dado )ue a;ora la olla poseía una 1/l1ula deseguridad? sin em4argo# todos los miem4ros se opusieron a la nue1ademostración# temerosos de salir sin 1ida# dado el peligro potencial )uerepresenta4a el in1ento* La nica excepción fue la del presidente# el físicoo4ert 5oyle# )uien permitió la demostración# siempre y cuando seefectuara ante un nmero ra3ona4le de personas*

A;ora# si se trata de una m/)uina )ue transforma com4usti4le en calor o )ue e1ita el uso

de calor# la m/)uina puede ser '%%\ eficiente* En la tur4ina de una presa# la eficiencia

puede llegar a 2%\# al igual )ue la de una caldera grande de una central termoeléctrica? la

eficiencia de un generador eléctrico puede ser de 29\ y la eficiencia de una estufa de

cocina es de 9,\ aproximadamente*

Supongamos )ue un estudiante con muc;a energía dedica 9 +%% Filocalorías a leer este

li4ro* A primera 1ista nos sorprendería toda la energía )ue le ;a dedicado? sin em4argo#

&%


31/85

es necesario sa4er cu/nto tiempo le dedicó a esta tarea* Buando nos enteramos )ue leyó

todo en 9+% ;oras# es decir# un poco mas de un mes# resulta )ue sólo empleó '%

Filocalorías diarias# en promedio# para leer* Si comparamos esta cantidad con las 9+

Filocalorías )ue se necesitan para leer durante una ;ora# el estudiante leyó alrededor de

siete minutos diarios* bste es precisamente el caso de un estudiante con muc;a energía ypoca potencia*

=n 4uen lector podría leer cinco ;oras diarias# y así leería todo el li4ro en dos días y

utili3aría tan sólo 9+% Filocalorías* Así podría leer '% li4ros como éste y emplear las

mismas 9 +%% Filocalorías*

Por lo tanto# cuando se ;a4la de energéticos# y en particular de las centrales de energía#

es muy importante conocer no sólo cu/nta energía se produce# sino la rapide3 con la )ue

se produce dic;a energía? la energía por unidad de tiempo* Lo me7or# por lo tanto# es

desarrollar muc;a potencia*Si a;ora regresamos al e7emplo de la energía empleada en la lectura# se ;a4ía dic;o )ue

se utili3an 9+ Filocalorías por cada ;ora de lectura# pero no sería desea4le )ue fueran 9+

Filocalorías por cada dos ;orasM Así podríamos leer m/s y comer menos*

esgraciadamente# un ;om4re no puede ;acer esto*** pero una m/)uina sí* Aun)ue la

m/)uina no entiende lo )ue lee*

El tiempo es fundamental en el tra4a7o )ue reali3a una m/)uina y por esto se introdu7o el

concepto de potencia# )ue se define como la rapide3 con la )ue se reali3a un tra4a7o o

como la energía por unidad de tiempo* Si en una casa empleamos un foco de '%% Gattsde potencia# la compa6ía de lu3 nos co4ra la energía# )ue es igual a la potencia

multiplicada por el tiempo? es decir# tendremos )ue pagar determinada cantidad por '%%

Gatts>;ora ] %*' FiloGatts>;ora IF;J por cada ;ora )ue prendamos el foco* Si lo usamos

dos ;oras co4rar/ %*$ F;*

Si en lugar de un foco de '%% Gatts usamos uno de 8% Gatts# la cuenta ser/ de %*%8 F;

por cada ;ora )ue esté prendido* Al de dos ;oras la compa6ía de lu3 nos co4rar/ %*'$

F;* Por lo tanto# cuanto menor sea la potencia de los aparatos )ue se utilicen# o menor

el tiempo )ue permane3can encendidos# menor ser/ la cuenta de lu3*Los medidores de lu3 )ue se encuentran instalados en todas las casas>;a4itación miden

el consumo diario de energía en FiloGatts>;ora* Por e7emplo# un departamento amplio

consume diariamente alrededor de , F;*

&'


32/85

Las plantas o centrales de energía eléctrica de4en ser de muc;a potencia para poder

satisfacer en todo momento las necesidades de todas las casas* Así# la producción de

electricidad depende de la demanda de la po4lación )ue tiene )ue satisfacerse*

En el Sistema -nternacional de =nidades la energía se mide en 7oules? sin em4argo# como

es una unidad muy pe)ue6a# para medir el consumo de energía doméstica se emplea otraunidad# tal 1e3 m/s conocida: el FiloGatt>;ora# a4re1iado F; I' FiloGatt>;ora ]& 8%% %%%

7oulesJ* .tra unidad )ue se mencionó anteriormente es la Filocaloría? ' Filocaloría ] +

'98*9 7oules* Tam4ién se utili3a frecuentemente el 5T= I5ritis; T;ermal =nitsJ con la

siguiente e)ui1alencia: ' 5T= ]'2*+09'%>+ 7oules*

La unidad de potencia es el Gatt I1éase el recuadro +J y sus mltiplos: el FiloGatt# elmegaGatt# el gigaGatt y el teraGatt# a4re1iados # F# "# y T# respecti1amente*=n Gatt e)ui1ale a un 7oulesegundo# o en forma a4re1iada ' ] 'Ks* En el cuadro ---aparecen las unidades de energía y potencia# cómo se a4re1ian y su e)ui1alencia* Y en elcuadro -R est/n los mltiplos y su4mltiplos )ue se utili3an como prefi7os en todas lasunidades*

Recuadro ?

Sociedad inglesa de lun+ticos. urante la segunda mitad del siglo R---existía en 5irming;am# -nglaterra# una sociedad llamada Sociedad Lunar#por)ue sus miem4ros se reunían el primer lunes posterior a la Luna llena*

A la asociación de lun/ticos# como se les llamó# pertenecían: Kames att#Erasmus arGin# "att;eG 5oulton# Ko;n ilFinson y illiam Small# entreotros*

CUADRO III. *nidades de energía@ con4ersión.

' 7oule ]' Gattsegundo ] ' neGtonmetro ]

' Filogramometro$ segundo$

' K ]' s ] ' !m ] ' Fgm$s$

]8*$+$ x '%'9 eR Ielectrón>1oltJ]8*$+$ x '%'$ "eR Imegaelectrón>1oltJ] '%0 ergs] %*$&99 cal IcaloríasJ]$*009 x '%>0 F; IFiloGatts>;oraJ

]2*+09 x '%>+ 5T= I5ritis; T;ermal=nitsJ

]&*0$, x '%>0 ;p; I;orse poGer>;oraJ] %*0&08 ftl4f Ipiesli4ras fuer3aJ

*nidades de Potencia@ Con4ersión

' Gatt ]' 7oulesegundo ] 'Filogramometro$segundo&

&$


33/85

' ] ' Ks ] ' Fgm$s&

]%*%%' F IFiloGattsJ

]8*$+$ x '%'9 eRs Ielectrón>1oltsegundoJ

] %*%%'&+' ;p I@orse PoGerJ

]&+'& 5T=; I5ritis; T;ermal

=nits;oraJ

CUADRO I. 2ltiplos ! su$mltiplos.

Prefi7o Sím4olo Potencia Bantidad

exa E '%'9' %%% %%% %%% %%%

%%% %%%

peta P '%',' %%% %%% %%% %%%

%%%

tera T '%'$

' %%% %%% %%% %%%giga '%2 ' %%% %%% %%%mega " '%8 ' %%% %%%Filo F '%& ' %%%

'%% 'mili m '%>& %* %%'micro " '%>8 %* %%% %%'nano n '%>2 %*%%% %%% %%'pico P '%>'$ %*%%% %%% %%% %%'

femto f '%>',%*%%% %%% %%% %%%

%%'

atto a '%>'9%*%%% %%% %%% %%%

%%% %%'

&*


34/85

Existen los siguientes tipos de fuentes de energía segn su origen y apro1ec;amiento:

'J Energía del petr/leo, gas ) carb/n. La energía )uímica se con1ierte en calor para

posteriormente transformarse en electricidad u otras formas de energía* Buando la

energía )ue proporcionan el petróleo# el gas o el car4ón se o4tiene en grandes

cantidades# se transforma en energía eléctrica a tra1és de las centrales termoeléctricas ocar4oeléctricas* En el caso de los transportes la energía se transforma en cinética o

mec/nica Ipasando por la energía calorífica o térmicaJ o 4ien en energía calorífica cuando

se trata de un calentador o una estufa*

$J Energía hidr+ulica. En ésta se apro1ec;an las caídas de agua )ue se originan por la

diferencia de altura en un terreno# por lo tanto se trata de energía potencial* La energía

;idr/ulica es energía mec/nica# primero potencial# cuando el agua de un río es detenida

por la cortina de una presa y se esta4lece una diferencia de altura# y después cinética#

cuando se de7a caer el agua de la presa* ic;a energía cinética es la )ue se utili3a paramo1er un tur4ogenerador y producir energía eléctrica en las centrales ;idroeléctricas*

&J Energía geotrmica. Es la energía calorífica del interior de la Tierra# la cual se

transforma en energía mec/nica y eléctrica a tra1és de un tur4ogenerador*

+J Energía nuclear. En ésta# la energía )ue une a los ncleos de los /tomos se transforma

en energía calorífica# y ésta# a su 1e3# en mec/nica y eléctrica*

,J Energía solar. En ésta se apro1ec;a directamente la radiación solar para producir calor

o electricidad*

8J Energía e/lica. Es la )ue utili3a la energía cinética de los 1ientos# )ue puedeapro1ec;arse como tal o# a su 1e3# con1ertirse en electricidad*

0J Energía de la biomasa. Es el apro1ec;amiento de la materia 1i1a y los desec;os

org/nicos como com4usti4les# por lo tanto se trata de energía )uímica# )ue se pueden

transformar en cual)uier forma de energía* El caso de la madera es un e7emplo*

Existe tam4ién una clasificación de las fuentes de energía de acuerdo con su duración*

Las fuentes no reno1a4les son a)uellas )ue después de cierto tiempo de explotación

aca4ar/n por agotarse* bste es el caso de los com4usti4les fósiles# la fisión nuclear y la

energía geotérmica* Por otro lado est/n las fuentes de energía reno1a4les# entre las )uese encuentran la solar y la eólica# dado )ue son fuentes )ue para todo fin pr/ctico nunca

se agotar/n*

&+


35/85

P-"EA PATE*

EL @-L. .A.: LA E!E(A S.LA

'* '* -!T.=BB-!

URANTE siglos# tanto el ;om4re como los dem/s seres 1i1os ;an apro1ec;ado la

energía solar# no sólo como una opción energética sino como fuente de 1ida# pues sin esa

estrella no ;a4ría 1ida en la Tierra* El cuerpo ;umano produce 1itamina cuando los

rayos ultra1ioleta pro1enientes del Sol llegan a la piel* La 1itamina es esencial para el

crecimiento de los ;uesos* !uestro organismo# como necesita alimentos# depende

indirectamente de la energía solar# pues ésta es indispensa4le para )ue se lle1en a ca4o

las reacciones de la fotosíntesis* e ;ec;o# las plantas pueden almacenar '\ de la

radiación solar )ue les llega* e4ido a )ue todos los seres 1i1os se alimentan unos de

otros# formando una gran cadena alimenticia# toda la flora y la fauna terrestre 1i1e gracias

al apro1ec;amiento directo o indirecto de la energía solar* Prue4a de esto es )ue m/s de

2%\ del material org/nico )ue permite la 1ida marina# llamado fitoplancton# se ;alla

precisamente en a)uellas capas del océano donde llega la lu3 del Sol*

Sin em4argo# tal parece )ue no sa4emos apro1ec;ar las 1enta7as )ue nos 4rinda la

naturale3a* Bómo sería la 1ida sin el SolM La respuesta inmediata es: no ;a4ría 1ida* El

in1ierno nuclear sería poca cosa comparado con un planeta )ue no reci4iera la energía

solar*

Si )ueremos mantener las condiciones naturales de 1ida es necesario )ue no alteremos

muc;o el medio# pues dic;os cam4ios pueden 1ol1erse en nuestra contra* Entre los casos

m/s conocidos se encuentran los da6os pro1ocados por las explosiones nucleares# los

materiales no degrada4les# los contaminantes )uímicos# los desec;os industriales# los

cam4ios en la capa de o3ono de nuestra atmósfera# etcétera* Pero esos da6os# de los

cuales nos mantiene al tanto la ecología# no preocupa4an a los ;om4res del pasado*

@asta )ué punto el a1ance tecnológico se con1ierte# en algunos casos# en retrocesoM La

respuesta a esta pregunta depende de muc;os factores y me7or la de7aremos a4ierta#

pues aun)ue por un lado los a1ances tecnológicos ;an permitido me7orar las condiciones

de 1ida de la po4lación en general# tam4ién ;an acentuado la po4re3a de algunos países*

La dependencia tecnológica y la imposición de modelos técnicos importados ocasionan

&,


36/85

saltos tecnológicos con grandes ;uecos y deficiencias* Si se )uiere satisfacer la demanda

de energía )ue re)uiere cada ;a4itante del planeta es indispensa4le 4uscar fuentes de

energía )ue se puedan mantener a largo pla3o* Esa necesidad existe y de4e satisfacerse?

es necesario solucionar pro4lemas como el pronóstico so4re el agotamiento del petróleo#

)ue comen3ara a sentirse a mediados del siglo XXI# cuando las reser1as de crudo ser/ninsuficientes para satisfacer la demanda mundial*

La acción de una fuente de energía pr/cticamente inagota4le como el Sol se aprecia en

muc;os fenómenos cotidianos* Si de7amos una manguera expuesta a los rayos solares# al

a4rir la lla1e# el agua saldr/ en un principio caliente* e ;ec;o# éste es el sistema )ue

emplean los australianos para facilitar el tra4a7o de la1ar los platos después de comer*

.tro e7emplo muy conocido es cuando intentamos sentarnos en los asientos de pl/stico

negro de un automó1il )ue ;a estado expuesto a la lu3 del Sol* Bu/ntas 1eces se ;a

)uemado ustedM=n experimento sencillo pero ilustrati1o para o4ser1ar el apro1ec;amiento de la energía

solar consiste en concentrar los rayos del Sol en un punto para producir fuego* Esto lo

podemos ;acer con una lupa# cuando no tengamos a mano cerillos* El punto donde se

concentran los rayos de lu3 se llama foco de la lupa* Pero el experimento podría ;acerse

m/s interesante si utili3/ramos una lupa de ;ielo? de esta forma estaríamos produciendo

fuego a partir del agua*

En las ltimas décadas# la energía solar ;a co4rado importancia como fuente energética#

puesto )ue las reser1as de com4usti4les fósiles no son eternas* Esto ;a ocasionado )ue#por e7emplo# sean parecidos los precios de un calentador solar y de uno de gas# lo )ue no

sucedía ;ace 8% a6os* Así# con respecto a los costos# los sistemas solares son cada 1e3

m/s 4aratos# con la gran 1enta7a de )ue el com4usti4le# la lu3 del Sol# aparece todas las

ma6anas sin co4rar*

e4e )uedar claro )ue la energía solar no constituye ninguna panacea uni1ersal de la

cual los ;om4res o4tendr/n todo lo )ue necesitan* La energía solar contri4uye

modestamente como otra posi4ilidad energética y no se trata de defenderla a ultran3a

como la nica fuente de energía* =n planteamiento realista sería considerarla seriamentecomo una opción energética con sus deficiencias tecnológicas# sus des1enta7as

económicas actuales y sus 1enta7as a largo pla3o*

En nuestro país# )ue posee regiones con el promedio mundial de insolación o soleamiento anual

m/s alto# el apro1ec;amiento de la energía solar constituye# sin lugar a dudas# una 4uena opción*

El )ue esta fuente de energía sea renta4le depende de las in1estigaciones )ue se realicen# de los

&8


37/85

recursos económicos destinados a su estudio y del interés )ue se preste a su desarrollo* Por lo

pronto# ya satisface las necesidades energéticas de muc;as 1i1iendas# se ;a empleado en algunas

comunidades )ue carecen de electricidad y tam4ién se ;an construido algunas plantas de prue4a*

Pese a lo anterior# actualmente la energía solar no contri4uye con ningn porcenta7e al consumo

energético nacional#aun)ue ya empie3a a contar y es desea4le impulsarla*

-*$* =!


38/85

La radiación )ue emite el Sol en todas direcciones# producto de las reacciones nucleares#corresponde a una parte del llamado espectro electromagnético* Bada cuerpo# segn suscaracterísticas intrínsecas# emite un patrón de radiación electromagnética Iuna forma deradiación característicaJ )ue puede identificarse en el espectro electromagnético* En lafigura 9 pueden apreciarse las diferentes formas de radiación electromagnética# )uedependen de la cantidad de energía )ue ésta posea* Para nosotros la m/s comn es la

lu3 1isi4le# pero tam4ién los rayos o los rayos infrarro7os constituyen otras formas deradiación electromagnética*

)igura >. Espectro electromagntico.

La radiación electromagnética no es otra cosa )ue el tipo de partículas o de ondas Ien el

sentido físicoJ )ue nos llega de un cuerpo# en este caso del Sol* Los rayos del Sol est/n

compuestos por diminutas partículas# llamadas fotones )ue 1ia7an a la 1elocidad de la lu3*

En '2%, Al4ert Einstein propuso una teoría corpuscular en la )ue se6ala4a )ue la lu3

esta4a compuesta de pa)uetes de energía radiante llamados fotones# término acu6ado

por * !* LeGis en '2$8* Posteriormente# 1arios experimentos demostraron )ue las

&9


39/85

partículas atómicas# incluidos los fotones# podían presentar patrones de interferencia y

difracción# características )ue corresponden a una onda y no a una partícula* Sin

em4argo# la lu3 est/ compuesta de ondas o de partículasM A finales de la década de los

1einte la respuesta la dio la mec/nica cu/ntica# teoría )ue se6ala )ue la lu3 tiene

manifestaciones de partícula y de onda# es decir# tiene una naturale3a dual# de dos? no sepueden excluir am4os conceptos* La lu3 se comporta como onda o como partícula# segn

el instrumento )ue se use para anali3arla*

En la figura + pueden apreciarse las características físicas de una onda de lu3* =n

e7emplo cotidiano de una onda lo podemos o4ser1ar en el mo1imiento )ue se produce en

el agua de un estan)ue cuando se tira una piedra al centro de éste? se formar/n una serie

de anillos concéntricos )ue se ;ar/n cada 1e3 m/s grandes# ;asta llegar al 4orde del

estan)ue* A)uí de4e se6alarse )ue las ondas de lu3# a diferencia de las de un estan)ue#

se pueden propagar en el 1acío# cosa )ue no sucede con las ondas de un estan)ue#por)ue re)uieren de un medio para propagarse* La lu3 se comporta como una serie de

partículas en mo1imiento o como una onda trans1ersal )ue se propaga en diferentes

materiales o en el 1acío*

T >periodo ] tiempo en )ue la onda completa unciclo

v 0frecuencia ] ] nmero de ciclos por segundo

λ >longitud deonda ]

distancia )ue ;ay al completar

un ciclo o entre cresta y cresta o entre 1alle y 1alleB > λv B > Relocidad de la lu3 ] &%% %%% Fms*

λ > longitud de la onda de lu3

&2


40/85

v 0 frecuencia de la onda de lu3

)igura ?. Características físicas de una onda de lu.El tipo de radiación electromagnética depender/ de las características físicas )ue posean

los fotones* La energía contenida en los rayos del Sol se calcula a partir de la fórmula de

PlancF# E] ;1# donde E es la energía de los fotones# ; es la constante de PlancF# )ue

e)ui1ale a 8*8$, x '%>&+ Ks# y la letra griega 1 es la frecuencia a la )ue oscilan los fotones

o la frecuencia de las ondas de lu3*

e esta fórmula se desprende )ue ;ay fotones )ue poseen gran cantidad de energía

Icomo los rayos gammaJ y otros )ue son menos energéticos Ilos rayos infrarro7os# por

e7emploJ* Esto se traduce en )ue ;ay fotones )ue ni si)uiera pueden atra1esar la

atmósfera terrestre# mientras )ue otros cru3an los te7idos 4landos del cuerpo y c;ocan

nicamente con los ;uesos: estos ltimos constituyen los rayos # )ue se utili3an para

tomar radiografías*

=na característica comn )ue comparten todos los fotones es )ue 1ia7an a una 1elocidad

constante en el 1acío: a la 1elocidad de la lu3# )ue es la m/s alta )ue existe en el

=ni1erso* =na propiedad curiosa de estas partículas es )ue un fotón en reposo tiene una

masa igual a cero*

A pesar de )ue la 1elocidad de la lu3 es muy grande# un rayo del Sol tarda

aproximadamente oc;o minutos en llegar a la Tierra* En la 1ida cotidiana# sin em4argo# la

lu3 de un foco parece )ue nos llega instant/neamente* IPor e7emplo# la lu3 de un foco

colocado a ' m de distancia# tarda %*&&'%>9 s*J

Los rayos )ue pro1ienen del Sol traen consigo fotones de características diferentes Irayos

gamma# rayos ultra1ioleta# lu3 1isi4le# rayos infrarro7os y ondas de radioJ y estos

constituyen el espectro del Sol*

En la figura , puede apreciarse cómo gran parte de la radiación solar Iel 2%\

aproximadamenteJ est/ constituida por rayos infrarro7os y lu3 1isi4le*

+%


41/85

)igura D. Espectro del &ol. )uera de la atmósfera6 la radiación solar est# constituida por Fde ra!os ultra4ioleta6 ?F de radicación 4isi$le ! ?GF de ra!os infrarro"os. En la superficie6

en condiciones ideales 8cielo despe"ado ! a ni4el del mar: los porcenta"es son@ ?F deultra4ioleta6 ?GF de 4isi$le ! D


42/85

dos tu4os de órgano? cuando el aire se expandía de4ido al calor solar# la estatua

empe3a4a a cantar.

En los siglos XVII y XVIII se construyeron los primeros ;ornos solares? aproximadamente

en '82%# en resde# Alemania# E** 1on Tsc;irn;ausen construyó un ;orno solar con un

espe7o cónca1o para4ólico de '*8 m de di/metro para cocer el 4arro utili3ado en laproducción de o47etos de cer/mica* Tam4ién construyeron ;ornos solares Korge Luis

Leclerc# conde de 5uffon# escritor y naturalista francés# y los ópticos franceses A* K*


43/85

Ericsson no )uiso patentar ni comerciali3ar sus motores solares ;asta )ue no se ;u4ieran

perfeccionado# por lo cual de7ó muc;os in1entos sin patente*

En '98%# con el apoyo de !apoleón ---# Augusto "ouc;ot construyó un colector solar en

forma de cono truncado de $*$ m de di/metro# )ue se utili3ó primero en una caldera y

posteriormente en una planta para 4om4ear agua* En la Exposición "undial de París#cele4rada en '909# "ouc;ot ex;i4ió una estufa solar y un motor solar )ue emplea4a su

colector* Tam4ién en la Exposición "undial )ue se reali3ó en el Palacio de las Tullerías#

"ouc;ot y A4el Pifre lle1aron un motor solar integrado a la prensa de una imprenta* "/s

tarde# en esta imprenta se editaría la re1ista "e $ournal du Soleil.

@asta entonces se ;a4ía pro4ado )ue cual)uier m/)uina térmica podía funcionar

mediante la energía solar? sin em4argo# podía con1ertirse directamente esta energía en

electricidadM

En '9&2# Edmund 5ec)uerel Ia4uelo de @enry 5ec)uerel# el descu4ridor de laradiacti1idad naturalJ mientras tra4a7a4a con celdas electrolíticas o4ser1ó )ue al iluminar

uno de los electrodos se producía un 1olta7e y así descu4rió el efecto foto1oltaico# es

decir# la con1ersión directa de lu3 en electricidad* Bincuenta a6os después# * Smit;

encontró )ue el selenio Ielemento deri1ado del mineral de co4reJ tenía propiedades

foto1oltaicas? B;arles


44/85

costo# )ue las ;acía inaccesi4les* Por esto# cuando se empe3a4an a ol1idar las celdas

solares# a la NASA se le ocurrió )ue la fuente m/s indicada para los satélites espaciales

serían las celdas solares y dedicó muc;o tiempo y dinero para perfeccionarlas y

producirlas* Las celdas solares est/n constituidas de una unión de materiales

semiconductores tipo n y tipo p# en las )ue se presenta el efecto foto1oltaico*La primera aplicación a mediana escala de la energía solar se dio en una planta

desalini3adora# construida en el desierto de Atacama# en Las Salinas# B;ile* bsta tenía un

/rea de captación de media ;ect/rea? proporciona4a $% mil litros de agua pota4le al día

para una mina de nitrato de sodio y funcionó ininterrumpidamente de '90$ a '2'$*

A principios de este siglo se construyeron 1arias plantas solares de 4a7a potencia* En

'2'


45/85

generar 1apor# como se ;a4ía mencionado anteriormente# y producir energía eléctrica*

Las sales tienen la 1enta7a de )ue almacenan el calor*

para4ólicos )ue siguen el mo1imiento del Sol# con una capacidad de '% a ', FiloGatts? en

esta planta se emplea aceite como fluido de tra4a7o para calentar agua y producir 1apor*-*+ Z. S.LE "-.[

Antes de tratar lo referente al apro1ec;amiento de la energía solar se de4en entender

algunos conceptos fundamentales? en primer lugar# )ué se entiende por energíaM

La energía puede definirse como la capacidad )ue tiene un cuerpo o sistema de reali3ar

tra4a7o? entendido este ltimo como producto de la fuer3a )ue se e7erce so4re un cuerpo#

multiplicada por la distancia )ue se recorre aplicando dic;a fuer3a* Esta relación se

expresa matem/ticamente de la siguiente manera: ]


46/85

podr/ ser de '%%\# dado )ue la naturale3a ;a impuesto su ley: todo sistema )ue realice

un tra4a7o siempre tendr/ pérdidas de energía calorífica# )ue se manifiestan de di1ersas

formas: por e7emplo# la fricción de las ruedas en el pa1imento# el ro3amiento de un pistón

en un motor# la transpiración del cuerpo ;umano# etcétera* Por lo tanto# una parte de la

energía empleada para reali3ar un tra4a7o se transforma ine1ita4lemente en energíacalorífica y por ello la eficiencia de cual)uier m/)uina térmica nunca ser/ de '%% por

ciento*

En los sistemas de con1ersión de energía# por e7emplo en una presa# la eficiencia se

define como el cociente de la energía til )ue se extrae del sistema# di1idida entre la

energía )ue entra al mismo* Bomo la primera siempre ser/ menor )ue la segunda# la

eficiencia de con1ersión de cual)uier m/)uina# planta# central o dispositi1o siempre ser/

menor )ue ' o# expresado en porcenta7es# menor )ue el '%% por ciento*

.tro concepto fundamental )ue ya ;a4íamos mencionado es el de potencia# )ue se definecomo la rapide3 con la )ue se reali3a un tra4a7o? o en otras pala4ras# la energía

consumida por unidad de tiempo*

La figura 8 muestra la potencia m/xima )ue pueden desarrollar diferentes m/)uinas

utili3adas durante los ltimos $%% a6os* Bomo puede apreciarse# en este sentido el 4uey

es superior al ;om4re*

Figura 6. Potencia de diferentes máquinas. !omado " ada#tado de $cienti%cAmerican& La energía, Alian'a Editorial& num. (6)& *adrid& )+,(.-

Ya mencionamos )ue las unidades de energía )ue se utili3an comnmente son los

FiloGatts>;ora? asimismo# las de potencia son los FiloGatts* Los rayos del Sol proporcionan

energía radiante o radiación y como se ;a4ía explicado antes# no es otra cosa )ue una

onda electromagnética o millones de fotones de diferentes frecuencias*

+8


47/85

Para medir la cantidad de energía )ue llega del Sol se emplea como unidad el Gatt>;ora y

para conocer la potencia de dic;a radiación se usa el Gatt* Sin em4argo# en el caso del

apro1ec;amiento de la energía solar# lo )ue interesa es la cantidad de energía por unidad

de tiempo y por unidad de /rea )ue llega perpendicularmente a la superficie terrestre*

Esta cantidad se denomina irradiancia# intensidad de la radiación# soleamiento oinsolación y las unidades para medirla son los Gattsm^ y el langleydía*

La Tierra gira alrededor del Sol en un mo1imiento )ue se denomina traslación y )ue

reali3a durante un a6o* La trayectoria )ue descri4e nuestro planeta es una elipse )ue se

acerca a una trayectoria circular? el Sol se encuentra en uno de los dos centros de esta

elipse# denominados focos* El mo1imiento de la Tierra y de la mayor parte de los planetas

tiene lugar en un plano# llamado eclíptica* Bomo el Sol est/ en uno de los focos de la

elipse# nuestro planeta est/ m/s cerca del Sol en una época y m/s le7os en otra* La Tierra

alcan3a su m/xima aproximación al Sol cuando se encuentra a '*+, x '%9

Fm# posiciónllamada peri;elio# a la )ue llega ;acia el + de enero de cada a6o*

A partir de ese punto se 1a ale7ando del Sol# ;asta )ue# ;acia el , de 7ulio de cada a6o#

alcan3a la posición m/s separada# su afelio# a '*,+ x '%9 Fm de distancia*

Pero nuestro planeta no sólo se mue1e alrededor del Sol# sino )ue gira en torno a un e7e

imaginario# en un mo1imiento )ue se llama rotación* El e7e de rotación de la Tierra no es

perpendicular al plano de la eclíptica# sino )ue forma un /ngulo de $&*+,O*

Si medimos el /ngulo )ue forman los trópicos de B/ncer y de Bapricornio con respecto al

ecuador# desde el centro de la Tierra# el primero ser/ de _ $&*+,O y el segundo de >$&*+,O* Esta inclinación del e7e de la Tierra con respecto al plano de la eclíptica es lo )ue

ocasiona fundamentalmente las estaciones y# por lo tanto# la cantidad de radiación )ue

reci4imos del Sol# en cada caso*

En el solsticio de in1ierno# el $' de diciem4re# los rayos solares llegan al @emisferio !ortedurante menos tiempo# por)ue es el día m/s corto del a6o# y el Sol se encuentra almediodía en el punto m/s 4a7o del cielo? en consecuencia# en el día el soleamiento esmínimo* En el @emisferio Sur ocurre lo contrario* Posteriormente# el $' de mar3o# en ele)uinoccio de prima1era# cuando el día y la noc;e duran lo mismo# el soleamiento es igualen am4os ;emisferios y el Sol al mediodía cae 1erticalmente so4re el ecuador# pero el e7e

de rotación de la Tierra forma un /ngulo de $&*+,O con respecto a la perpendicular delplano de la eclíptica y# por lo tanto# este plano imaginario corta a la Tierra formando un/ngulo tam4ién de $&*+,O respecto al ecuador* En el solsticio de 1erano# )ue ocurre el $$de 7unio# los rayos solares llegan al @emisferio !orte durante m/s tiempo# por)ue es eldía m/s largo del a6o y el Sol alcan3a el punto m/s alto en el cielo? éste es el caso"éxico* Por lo tanto# en el @emisferio !orte en ese día ocurre el soleamiento m/ximo* Enel @emisferio Sur ocurre lo opuesto*


48/85

puntos m/ximo y mínimo Isolsticios de 1erano e in1ierno en el @emisferio !orte# o alcontrario en el SurJ y el e7e de la Tierra forma un /ngulo de >$&*+,O con respecto alecuador* En la figura 0 se muestra en forma gr/fica cada uno de los cuatro casos*

)igura . Radiación solar durante los solsticios ! los equinoccios.Para comprender me7or cómo llegan los rayos solares en los e)uinoccios y los solsticios#en la figura 9 se muestra la trayectoria aparente del Sol en las cuatro situaciones# 1istadesde la latitud de la ciudad de "éxico o de Bolima*

Figura . !ra"ectoria del $ol desde una latitud de )6/ 0 como la de la ciudadde *12ico o la de Colima& durante los solsticios " los equinoccios. !omadode3 E4erardo 5ernánde' et al., Atlas de la República Mexicana, Uni4ersidaderacru'ana& )++).

Buando los rayos de Sol llegan perpendicularmente a una superficie es cuando puede

apro1ec;arse la mayor cantidad de radiación? por eso# la cantidad de radiación )ue reci4e

nuestro planeta depende de la inclinación de los rayos solares*

+9


49/85

La radiación )ue llega a la Tierra es 1aria4le y dic;os cam4ios de4en conocerse para

sa4er la cantidad de radiación )ue puede apro1ec;arse en cada lugar del planeta* En

otras pala4ras# la radiación solar no es constante sino )ue cam4ia segn las estaciones

del a6o# las condiciones atmosféricas y la latitud de cada región*

Pese a lo anterior# para todo fin pr/ctico se considera )ue en el límite superior de nuestraatmósfera llega una cantidad de radiación promedio por unidad de tiempo por cada m^#

)ue se denomina constante solar* El 1alor de esta constante es igual a ' &80 Gattsm^*

Esto )uiere decir )ue en el 4orde de la atmósfera# a cada m^ le llegan ' &80 Gatts de

potencia solar* Si consideramos la mitad de la superficie de la Tierra Ide4ido a la noc;eJ

se tendría una energía de '*0 '%'0 Gatts>;ora cada 8% minutos de Sol# cantidad muy

superior a la energía eléctrica )ue se genera en todo el mundo a lo largo de un a6o I0

'%', ;J* Sin em4argo# la atmósfera y la eficiencia de los sistemas solares ocasionan )ue

esta cantidad sea muc;o menor I$*'8 '%$%

; a6oJ*La Tierra tiene una atmósfera cuyo límite se fi7a con1encionalmente a $ %%% Fm de altura

so4re la superficie y est/ compuesta de las siguientes capas: troposfera# estratosfera#

ionosfera y exosfera* bsta funciona como un gran in1ernadero# )ue guarda parte del calor

pro1eniente del Sol? el efecto de in1ernadero permite )ue la temperatura terrestre no sea

la de un témpano de ;ielo* Sin em4argo# el efecto in1ernadero tam4ién puede pro1ocar un

calentamiento glo4al del planeta# lo cual ocasionaría da6os ecológicos* Para entenderlo

se de4e mencionar )ue cuando la radiación llega a un o47eto# éste la a4sor4e y a su 1e3

emite una radiación en forma de ondas electromagnéticas )ue no necesariamente tiene lamisma longitud de onda*

El Sol emite una radiación caracteri3ada por el espectro solar* Esa radiación es a4sor4ida

por el sistema atmósfera>Tierra* ic;o sistema atmósfera>Tierra se calienta y a su 1e3

emite una radiación de características diferentes a la a4sor4ida*

A pe)ue6a escala# si los rayos solares llegan a un in1ernadero# el 1idrio o los 1idrios de7an

pasar la longitud de onda corta# y el suelo y las plantas a4sor4en esa radiación# pero# a su

1e3# emiten una radiación de longitud de onda larga* Esta radiación de onda larga no

puede salir por)ue el 1idrio no de7a pasar esa radiación* Así# como el calor no puede salir se ele1a la temperatura en el interior del in1ernadero* En nuestra atmósfera ocurre un

efecto similar*

Para sa4er cu/l es la cantidad de radiación )ue llega a la superficie de nuestro planeta y

no sólo a la frontera de la atmósfera# de4e ;acerse un an/lisis glo4al de los diferentes

procesos físicos y )uímicos )ue tienen lugar desde )ue la radiación solar atra1iesa la

+2


50/85

atmósfera ;asta )ue llega a la superficie terrestre* Este proceso glo4al se llama 4alance

energético de la radiación solar*

@acer un 4alance preciso de la radiación solar resulta una tarea comple7a* @asta a;ora

sólo se ;an ;ec;o aproximaciones* Por otro lado# la radiación solar )ue reci4e cada punto

de la Tierra 1aría# dependiendo de la radiación directa y difusa )ue reci4a* Por ello# ;a4lar de un 4alance glo4al resulta una aproximación de la radiación promedio anual )ue reci4e

la superficie terrestre# aun)ue permite darse una idea de lo )ue sucede*

Solamente +0\ de la radiación solar )ue a4sor4e nuestra atmósfera llega a la superficie

terrestre? &'\ directa y '8\ indirectamente# como radiación )ue se difunde en la

atmósfera y se denomina# por ello# radiación difusa*

Por otro lado# la radiación solar )ue se desapro1ec;a se di1ide en los siguientes

porcenta7es: $9\ se 1a al espacio exterior por reflexión en la capa superior de la

atmósfera# 8\ se pierde por difusión de aerosoles,

# 0 \ se refle7a en el suelo terrestre y'0\ lo a4sor4en las distintas capas de la atmósfera* La suma de estas pérdidas da un

total de ,& por ciento I1éase figura 2J*

)igura J. Balance energtico de la radiación solar para longitudes de onda corta 8 ?mm:.Por lo tanto# en los diferentes dispositi1os solares se puede apro1ec;ar# en promedio#

+0\ de la radiación )ue llega fuera de la atmósfera* Pero esto sólo ocurre con la

radiación solar de onda corta Imenor de + micrómetrosJ* La Tierra a4sor4e esa radiación

I+0\J# pero a su 1e3 emite radiación de onda larga# tal y como ocurre en un in1ernadero*

Posteriormente# de esa radiación de onda larga Imayor de + micrómetrosJ )ue emite

nuestro planeta# '9\ sale de la atmósfera* e esa manera# nicamente $2\ I+0>

'9]$2\J de la radiación total a4sor4ida )ueda en nuestro planeta* En la figura 2 se

muestra este 4alance energético*

,%


51/85

El apro1ec;amiento de la energía solar se refiere a la con1ersión directa de la radiación

solar en calor y en electricidad# llamadas con1ersión fototérmica y foto1oltaica#

respecti1amente* La energía solar es la causa indirecta de )ue pueda apro1ec;arse la

energía )ue proporcionan las plantas y los animales# me7or conocida como 4iomasa*

Tam4ién al Sol se de4en los mo1imientos de las diferentes masas de aire )ue ocasionanlos 1ientos? así# la energía eólica o de los 1ientos es indirectamente energía solar*

Adem/s# el depósito de organismos )ue alguna 1e3 estu1ieron 1i1os en las capas de la

corte3a terrestre no es otra cosa )ue los componentes del petróleo y el car4ón* e esa

manera# los com4usti4les fósiles son tam4ién indirectamente producto de la energía solar*


52/85

Figura )7. Radiaci8n total mundial durante el mes de 9ulio de )+66.- !omado" ada#tado del Solar Energy, Uni4ersidad de :isconsin& 9ulio& )+66.-

En la figura '' se muestra un mapa de soleamiento o insolación para la ep4lica"exicana y cada una de las líneas corresponde a los lugares )ue reci4en la mismacantidad de radiación* Bomo puede apreciarse# los estados de Sonora y 5a7a Baliforniason los )ue reci4en anualmente mayor cantidad de Sol* Por otro lado# ca4e se6alar )ue laciudad de "éxico se encuentra entre las cinco ciudades del mundo )ue reci4en mayorcantidad de radiación solar*

Figura )). Radiaci8n solar en la Re#u;lica *e2icana. !omado " ada#tado de Alternativas Energeticas, Alonso C.& A " Rodrígue' .& alindo& ?. @

Cá4e' A.- '*,* B". SE AP.REB@A TA!T. S.LM

Los principales sistemas y dispositi1os solares pueden clasificarse no sólo como

fototérmicos y foto1oltaicos# sino tam4ién conforme a su temperatura de operación* En los

fototérmicos# la temperatura puede ser 4a7a# intermedia o alta* Tam4ién pueden

clasificarse de acuerdo con su uso en 1i1iendas# industrias# en el campo o en la ciudad#

,$


53/85

para satisfacer la demanda de energía del país o en comunidades rurales Isistemas de

generación de energía centrali3ados o descentrali3adosJ*

En la figura '$ se muestran algunos de los sistemas y dispositi1os solares m/s utili3ados

de acuerdo con la clasificación anterior*

)igura 01. ,iferentes dispositi4os ! tipos de sistemas solares.'*8* B.LEBT.ES PLA!.S Y T=5=LAES

El calor se transmite siempre de los cuerpos calientes a los fríos# y nunca de manera

in1ersa* Existen tres formas de transmitir el calor: por radiación# por con1ección y por

conducción*

Para comprender me7or las diferentes formas de transmisión del calor# 1eamos un e7emplo

cotidiano* Si tomamos el Sol en la playa y pasan algunas ;oras o4ser1amos )ue nuestra

piel se )uemó? el Sol emite energía radiante compuesta de fotones u ondas

electromagnéticas* ic;a radiación atra1iesa la atmósfera y llega jen un día despe7ado

al ni1el del marj a la superficie como +\ de rayos ultra1ioleta# +8\ de radiación 1isi4le y

,%\ de rayos infrarro7os* Bual)uier cuerpo al )ue le llegue radiación tiene la propiedad de

a4sor4erla# produciendo calor )ue a su 1e3 ocasiona )ue se ele1e la temperatura*

Rol1iendo al caso de nuestro cuerpo# éste a4sor4e la radiación solar y una de las formas

en )ue ésta se manifiesta es en los rayos ultra1ioleta )ue )ueman la piel* Si nos

le1antamos r/pidamente# ;uyendo del calor excesi1o# notaremos )ue una 4risa nos

refresca un poco* Los 1ientos se originan por las diferencias de temperatura )ue existen

entre distintas capas de la atmósfera y por la rotación de la Tierra# y así se crean

,&


54/85

corrientes de aire llamadas de con1ección# a tra1és de las cuales el calor se distri4uye en

la atmósfera terrestre* La transmisión por con1ección ocurre tam4ién en lí)uidos# por

e7emplo cuando ;er1imos agua*

Por lo tanto# si seguimos con el e7emplo anterior# nuestro cuerpo I)ue est/ m/s calienteJ

;a4r/ transmitido parte de su calor a la corriente de con1ección de la 4risa y comoresultado final perci4imos menos calor* Si caminamos descal3os so4re la arena nos

percataremos r/pidamente de la conducción del calor: tendremos )ue correr para no

)uemarnos las plantas de los pies# de4ido a la transmisión de calor por conducción de la

arena a nuestros pies*

En los sistemas solares fototérmicos se de4en apro1ec;ar al m/ximo estas formas de

transmisión de calor o# 1isto de otra manera# tienen )ue e1itarse las pérdidas de calor por

estas tres formas de transmisión*

Entre los sistemas )ue con1ierten la energía solar en calor apro1ec;a4le se encuentranlos colectores planos y tu4ulares# )ue se utili3an principalmente para el calentamiento de

agua o aire*

El principio general de funcionamiento de un colector es el llamado efecto in1ernadero?

a)uí ;ay )ue recalcar )ue nuestra atmósfera opera como un gran in1ernadero* Bomo se

di7o anteriormente# cuando la lu3 pasa a tra1és de una o 1arias capas de 1idrio u otro

material transparente se transmite la radiación )ue tiene una longitud de onda corta* Si en

el interior de un sistema con un 1idrio perfectamente aislado del exterior se coloca un

material pintado de negro Iel color )ue a4sor4e mayor cantidad de radiaciónJ para )uea4sor4a al m/ximo la radiación# el material a4sor4er/ la radiación solar# se calentar/ y se

ele1ar/ la temperatura? posteriormente# ese material emitir/ a su 1e3 radiación de longitud

de onda larga# como los rayos infrarro7os le7anos a la parte 1isi4le del espectro* La

radiación emitida depender/ de la temperatura )ue posea el material* Pero como la

radiación es a;ora de longitud de onda larga no podr/ atra1esar la capa de 1idrio#

)uedar/ atrapada en el interior y# en consecuencia# pro1ocar/ )ue la parte interna del

colector esté a una temperatura m/s ele1ada )ue el exterior# tal y como sucede al entrar a

un in1ernadero*Si en el interior de una ca7a# con uno de sus lados de 1idrio# se coloca una serie de tu4os

)ue condu3can adecuadamente el calor y por los )ue circule agua# se o4tendr/ agua

calentada por el Sol*

Asimismo# el color )ue poseen los o47etos est/ directamente relacionado con la

a4sorción# reflexión y transmisión de la radiación solar* Por e7emplo# las ;o7as son 1erdes

,+


55/85

por)ue de todos los rayos )ue reci4en# nicamente refle7an a)uellos cuya longitud de

onda corresponde al color 1erde? el resto de radiación 1isi4le )ue tiene otras longitudes de

onda es a4sor4ida por la ;o7a* =na ;o7a de papel 4lanco# en cam4io# refle7a la radiación

de todas las longitudes de onda )ue le llegan y por eso la 1emos 4lanca* En

contraposición con el 4lanco# el color negro a4sor4e todas las longitudes de onda*En la Parte - del Li4ro --- de la 1ptica, !eGton se refiere a dic;o fenómeno como sigue:

Acaso la lu3 no engendra calor en los cuerpos negros con mayor facilidad )ue con los

de otros colores# de4ido a )ue al incidir so4re ellos no se refle7a ;acia afuera# sino )ue#

penetrando en ellos# se refracta y refle7a muc;as 1eces en su interior ;asta )ue se

a4sor4e y pierdeM kse refiere a la emisión de calor*

La com4inación del efecto in1ernadero# la a4sorción de radiación de los o47etos negros y

el aislamiento para e1itar las pérdidas de calor constituyen los principios físicos

fundamentales para comprender el funcionamiento de un colector plano o tu4ular*Existen tres tipos de colectores: planos# tu4ulares y de concentración* Los colectoresplanos funcionan a 4a7as temperaturas# entre 9% y 8%OB# y se utili3an principalmente paracalentar o enfriar agua y aire en las casas# pero tam4ién para secar granos# o4tener aguapota4le# en al4ercas# la1anderías# 4a6os p4licos# em4otelladoras# refrigeración# etcétera*Los colectores planos tienen una eficiencia del +% al 8,\ y ;asta a;ora son losdispositi1os solares m/s desarrollados y utili3ados en el mundo* Sin em4argo# parao4tener temperaturas m/s altas# entre 8% y '8,OB# se utili3an los colectores tu4ulares*bstos consisten en dos o tres tu4os# dos interiores de metal y uno exterior de 1idrio#generalmente concéntricos* Entre el tu4o de 1idrio y el tu4o met/lico externo# )ue de4eser negro Iy puede ser de co4reJ se ;ace el 1acío I1éase figura '&J# ya )ue la formatu4ular permite )ue los tu4os soporten grandes presiones# así como captar la mayorcantidad de radiación solar* e4e se6alarse )ue se ;ace el 1acío para reducir laspérdidas de calor por conducción y con1ección# con lo cual se consiguen temperaturasm/s ele1adas* El resultado final es )ue en los colectores tu4ulares la pérdida de calor porcon1ección y conducción se reduce considera4lemente# la temperatura de operaciónaumenta y su eficiencia real oscila entre 8% y 0%\* Los colectores planos y tu4ularestienen la 1enta7a de )ue funcionan tanto con radiación difusa como directa* Los colectoresde concentración# por su parte# renen la radiación solar en un punto o una línea ypermiten alcan3ar altas temperaturas? pueden estar fi7os o seguir el mo1imiento del SolIéstos se descri4ir/n m/s adelanteJ*

,,

Energc3ada Calor (1)

Documents

Transcript of Energc3ada Calor (1)