Energía Ciencia y Sociedad Drs. Enrique Bazúa Rueda y Andoni Garritz Ruiz Facultad de Química,...
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Energía Ciencia y Sociedad Drs. Enrique Bazúa Rueda y Andoni Garritz Ruiz Facultad de Química, UNAM 28 de septiembre de 2006
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Energía Ciencia y Sociedad
Drs. Enrique Bazúa Rueday Andoni Garritz RuizFacultad de Química, UNAM
28 de septiembre de 2006
2
Contenido
Conceptos básicos
Formas de energía
La cadena de la energía
3
Contenido
Conceptos básicos
Formas de energía
La cadena de la energía
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Conceptos básicos de la energía (1/2) La energía:
Permite al universo mantenerse en movimiento
Hace posible las funciones de los seres vivos
Influye de manera decisiva en las actividades humanas
Hace funcionar los aparatos, equipos, dispositivos, etc.
Estos hechos involucran diferentes formasformas y transformacionestransformaciones de energía, de una forma de energía a otra.
La energía se encuentra en todas partes (todos los cuerpos tienen energía).
Para que ocurra un cambio o fenómeno en la natu-raleza, debe participar la energía en alguna de sus formas y transformarse en otra.formas y transformarse en otra.
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Conceptos básicos de la energía (2/2)
En todo proceso la energía total se conserva. La energía total final es igual a la energía total inicial. Efinal = Einicial.
La energía no aparece por generación espontánea ni desapa-rece o se destruye.
Cuando la energía se transforma de una forma a otra, la cantidad de energía en su nueva forma es igual a la cantidad de energía que tenía en su forma anterior.
Cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro, la energía que gana uno de los cuerpos es igual a la energía que pierde el otro cuerpo. Egana = - Epierde
La transformación de la energía de una forma a otra La transformación de la energía de una forma a otra la debemos utilizar en nuestro beneficio, pero con la debemos utilizar en nuestro beneficio, pero con el cuidado del ambiente, es decir sosteniblemente.el cuidado del ambiente, es decir sosteniblemente.
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Energía totalLa Energía total es una variable de estado, es decir, una propiedad con un valor que depende del estado en curso del sistema (definido por su presión, tem-peratura y composición) y que es independiente de la forma en que ese sistema llegó a tal estado.
La energía total de un cuerpo está compuesta por lo menos de tres contribuciones: Energía cinética del cuerpo (si posee un movimiento) Energía potencial gravitacional del cuerpo (por su posición con relación a un plano horizontal) Energía Interna del cuerpo (en sus partículas)
Enseguida se aclara lo que es la energía interna.
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Contenido
Conceptos básicos
Formas de energía
La cadena de la energía
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La Energía que se transfiere de un cuerpo a otro cuerpo tiene alguna de las siguientes formas:
Energía térmica = Calor una forma del calor es la energía radiante (solar,
electromagnética, radiación luminosa) Energía mecánica = Trabajo Energía eléctrica Energía sonora (ruido, ondas sísmicas)
Formas de energía
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La ENERGÍA INTERNA La ENERGÍA INTERNA es la energía que tienen los es la energía que tienen los cuerpos, asociada a los átomos, moléculas o partí-cuerpos, asociada a los átomos, moléculas o partí-culas que los constituyen.culas que los constituyen.
Las contribuciones a la energía interna son:Las contribuciones a la energía interna son:
Energía cinética (microscópica) de los átomos, iones, molé-culas o arreglos cristalinos.
Energía potencial (microscópica) de interacción entre las partículas.
Energía química (de los enlaces entre los átomos que se forman en las moléculas o en los arreglos cristalinos).
Energía de electrones y núcleo de los átomos.
Energía Interna (1/2)
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Los cuerpos están constituidos por partículas; sean éstas moléculas, iones o átomos.
Al combinar los átomos para formar una sustancia, se crean los enlaces químicos. Por cada enlace que se forma se libera energía.Por cada enlace que se forma se libera energía. Por cada enlace que se rompe se requiere energía.Por cada enlace que se rompe se requiere energía. En las reacciones químicas se rompen y se crean enlaces. En las reacciones químicas se rompen y se crean enlaces.
El “calor de la reacción” es la suma de la energía requerida El “calor de la reacción” es la suma de la energía requerida para romper enlaces menos la energía que se libera al para romper enlaces menos la energía que se libera al formar enlaces.formar enlaces.
A esta contribución a la Energía Interna se le nombraA esta contribución a la Energía Interna se le nombra como como ‘‘Energía Química’.Energía Química’.
Energía Interna (2/2)
11
LaLa ENERGÍAENERGÍA está presente en nuestra vida diaria (1/3)está presente en nuestra vida diaria (1/3)
La observamos de diferentes formas y vemos La observamos de diferentes formas y vemos su transformación de una forma a otrasu transformación de una forma a otra
La energía eléctrica que llega a nuestras casas se transforma en: energía luminosa y térmica (calor) de los focos energía sonora de la radio energía mecánica (trabajo) de los motores
(refrigerador, lavadora, licuadora, grabadora, …) energía electromagnética del horno de microondas
La energía química de la gasolina se transforma en: energía cinética del coche en movimiento
La energía química del gas doméstico se transforma en : energía térmica (calor) para cocinar los alimentos o
calentar el agua para bañarnos
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LaLa ENERGÍAENERGÍA está presente en nuestra vida diaria (2/3)está presente en nuestra vida diaria (2/3)
La energía de la radiación solar se transforma en: energía química de las plantas (fotosíntesis) elevación de la temperatura atmosférica (gases de efecto
invernadero) energía eléctrica (fotocelda solar)
La energía química de los alimentos se transforma en: energía cinética (movimiento) del cuerpo energía mecánica (trabajo muscular) para levantarnos,
subir y cargar objetos, … energía térmica para mantener la temperatura del cuerpo energía que necesitamos para desarrollar todas nuestras
actividades
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LaLa ENERGÍAENERGÍA está presente en nuestra vida diariaestá presente en nuestra vida diaria (3/3)(3/3)
La energía térmica se expresa primero en forma de calor, en cualquiera de sus tres maneras de propagar-se: Conducción (cuando un cuerpo conduce el calor debido a que
sus partículas constituyentes vibran y chocan con las vecinas). Convección (cuando en un líquido se conduce el calor debido a
un gradiente de temperatura en su interior, que hace que se formen corrientes “convectivas” en el fluido).
Radiación (cuando fluye en forma de energía electromagnética). La energía térmica, entonces, se acaba convirtiendo en
energía interna del sistema, al incrementarse la tempe-ratura del objeto. La barra de metal posee al final más temperatura que al inicio. El líquido, debido a las corrientes convectivas, tiene al final
mayor temperatura que al inicio. El objeto irradiado tiene al final más temperatura que al inicio.
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Energía química de combustión del metano
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
Rompimiento de los enlaces de los reactivos = 2640 kJ
Formación de los enlaces de los productos = - 3530 kJ
Energía neta = 2640 - 3530 = - 890 kJ/(mol metano)
Energía liberada por cada 16 gramos de metano que se queman
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Ejemplo 1: El petróleo
Diccionario de la Lengua EspañolaDiccionario de la Lengua Española
Líquido natural oleaginoso e inflamable, constituido por una mezcla de hidrocarburos, que se extrae de lechos geológicos continentales o marítimos.
Productos petrolíferosProductos petrolíferos
Mediante diversas operaciones de destilación y refi-nación se obtienen de él distintos productos, utiliza-bles con fines energéticos o industriales, como el gas natural, la gasolina, la nafta, el queroseno, el gasóleo, el chapopote, etc.
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Del Petróleo a la Gasolina
Yacimiento de petróleoYacimiento de petróleo
Plataforma de producciónPlataforma de producciónRefineríaRefinería
Planta de separación Planta de separación aceite-gasaceite-gas
GasolineríaGasolinería
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Usos energéticos de los productos del petróleo
Gasolina
VehículosVehículos
Turbosina
AvionesAviones
Gas licuado
CasasCasas
VehículosVehículos
CalderasCalderas
Gas Natural
ElectricidadElectricidad
VehículosVehículos
CasasCasasDiesel
VehículosVehículosCombustóleo
ElectricidadElectricidad
Coque
ElectricidadElectricidad
Queroseno
CalderasCalderas
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La combustión del petróleo y de sus deriva-dos en la industria o el transporte, así como del carbón o del combustóleo en las plantas termoeléctricas, libera CO2, que es un gas de ‘efecto invernadero’.
Estos gases atrapan la radiación infrarroja emitida por la Tierra hacia el espacio exte-rior, con lo cual se eleva la temperatura de la atmósfera.
La liberación de gases invernadero
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Liberación de CO2 per cápita, por países
México: 5.7 toneladas per cápita en 1995, o sea unos 530 millones de toneladas por año
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Ejemplo 2: Energía nuclear
Al transformarse en energía parcialmente la masa de las partículas nucleares de un combustible nuclear se libe-ra la llamada ‘Energía Nuclear’.
Dicha energía puede ser térmica o electro-magnética.
22
Ejemplo: Energía nuclear
Puede tratarse de una energía más o menos controlada o la de una explosión nuclear
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Planta nucleoeléctrica
El diseño CANDU consiste de una calandria que tiene tubos con combustible nuclear (óxido de uranio, por ejemplo) y agua
pesada como fluido enfriador.
24
Planta nuclear de fusión de Culham, Inglaterra (1991)
25
Planta nuclear de fusión en construcción en Cadarache, Francia
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Ejemplo 3: Energía solar•Es radiación electro-magnética (una forma del calor)
•Las plantas la aprove-chan en la fotosíntesis
•La vida existe en la Tierra gracias a la ener-gía solar
•Calienta los gases de la atmósfera
•La celda fotovoltaica la transforma en ener-gía eléctrica
•El calentador solar la aprovecha como ener-gía térmica y calienta al agua
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Fotosíntesis (modelo simplificado)
Reacción de la fotosíntesisReacción de la fotosíntesis(proceso global de producción de glucosa)(proceso global de producción de glucosa)
6 CO6 CO22 + 6 H + 6 H22O CO C66HH1212OO66 + 6 O + 6 O22
Energía de la reacción química (energía química)Energía de la reacción química (energía química)
1. Rompimiento de los enlaces de los reactivos:6 (2 801) + 6 (2 482) = 15,396 kJ
2. Formación de los enlaces de los productos:(5 482 + 5 351 + 5 348 + 7 413 + 801) + (6 494) = - 12,561 kJ
3. Energía neta = 15,396 – 12,561 = + 2835 kJ/mol glucosa3. Energía neta = 15,396 – 12,561 = + 2835 kJ/mol glucosa
La reacción es endotérmica. Para la formación de un La reacción es endotérmica. Para la formación de un mol de glucosa (180 g) se requieren de 2835 kJ de mol de glucosa (180 g) se requieren de 2835 kJ de energía solar que será absorbida por la plantaenergía solar que será absorbida por la planta.
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Ejemplo 4: La energía eléctrica
La energía eléctrica se produce:
Por el solPor el sol fotovoltaicafotovoltaica
Por el vientoPor el viento eólicaeólica
Presas (agua)Presas (agua) hidroeléctricahidroeléctrica
CombustibleCombustible termoeléctricatermoeléctrica
Acuíferos subterráneosAcuíferos subterráneos geotérmicageotérmica
Combustible nuclear Combustible nuclear nucleoeléctricanucleoeléctrica
La energía eléctrica:
Se produce cuando se necesitaSe produce cuando se necesita
Si hay mayor demanda, se ponen a Si hay mayor demanda, se ponen a
funcionar más plantas eléctricasfuncionar más plantas eléctricas
Se transmite de las centrales gene-Se transmite de las centrales gene-
radoras a los centros de consumoradoras a los centros de consumo
En nuestro hogar la “consumen” En nuestro hogar la “consumen” los aparatos eléctricos y la transfor-los aparatos eléctricos y la transfor-man en otras formas de energíaman en otras formas de energía
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Energía eólica (viento)
•El calentamiento de la atmósfera y la rotación de la tierra provocan corrientes masivas de aire
•La energía cinética (velocidad) del aire se transfiere a las aspas como energía cinética
•La energía cinética de las aspas hace girar el generador eléctrico
Energía cinética Energía cinética del aire (viento)del aire (viento)
Energía eléctricaEnergía eléctrica
Generador eléctrico
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Energía hidroeléctrica
La energía potencial del agua se convierte en energía cinética del agua en el tubo de entrada.
La energía cinética del agua se transfiere a las aspas de la turbina como energía cinética.
•La energía cinética de la turbina hace girar al generador eléctrico
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Planta termoeléctrica para “generación” de energía eléctrica
Gases de
chimenea
Aire Vapor de agua
Gas natural
Condensado+-
+-
Energía del gas natural Energía eléctricaEnergía del gas natural Energía eléctrica
Tu
rbin
a d
e g
as
Co
nd
ensa
do
r
Co
mp
reso
r
Generador eléctrico
Caldera de producción de vapor de agua
Cámara de combustión
Tu
rbin
a d
e va
po
r
Gen
erad
or
eléc
tric
o
Bomba
50%
15%
35%
32
Planta termoeléctrica para “generación” de energía eléctrica
Cámara de combustiónCámara de combustión: : Se alimenta gas natural (princi-Se alimenta gas natural (princi-palmente metano) a alta presión y se combina con aire palmente metano) a alta presión y se combina con aire comprimido. Se lleva a cabo la combustión y se producen comprimido. Se lleva a cabo la combustión y se producen gases de combustión a alta presión y alta temperatura. La gases de combustión a alta presión y alta temperatura. La combustión es adiabática (no hay transferencia de calor).combustión es adiabática (no hay transferencia de calor).
Energía química delEnergía química del Energía cinética de las Energía cinética de las moléculasmoléculas gas naturalgas natural de los gases de combustión de los gases de combustión (ENERGÍA INTERNA)(ENERGÍA INTERNA) (ENERGÍA INTERNA) (ENERGÍA INTERNA)
Turbina de gasTurbina de gas: : Los gases de combustión (alta presión y Los gases de combustión (alta presión y temperatura) transfieren parte de su energía interna a las aspas temperatura) transfieren parte de su energía interna a las aspas de la turbina de gas y las hacen girar. Las aspas están unidas al de la turbina de gas y las hacen girar. Las aspas están unidas al rotor. El rotor realiza trabajo sobre el compresor de aire y el rotor. El rotor realiza trabajo sobre el compresor de aire y el generador eléctrico.generador eléctrico. Energía internaEnergía interna Energía cinética Energía cinética Trabajo al Trabajo al
de los gases dede los gases de de las aspas de de las aspas de compresor de aire compresor de aire combustióncombustión la turbina de gas la turbina de gas y generador eléctricoy generador eléctrico
33
Planta termoeléctrica para “generación” de energía eléctrica
Compresor de aireCompresor de aire:: El eje de la turbina de gas acciona al El eje de la turbina de gas acciona al
compresor de aire. La energía mecánica (Trabajo) que lecompresor de aire. La energía mecánica (Trabajo) que le
transfiere la turbina de gas al compresor la utiliza éste paratransfiere la turbina de gas al compresor la utiliza éste para
comprimir al aire (aumentan la presión y la temperatura delcomprimir al aire (aumentan la presión y la temperatura del
aire). El trabajo realizado incrementa la energía interna del aireaire). El trabajo realizado incrementa la energía interna del aire
Trabajo de laTrabajo de la Energía cinética del Energía cinética del Energía interna Energía interna
turbina de gasturbina de gas rotor del compresor rotor del compresor del aire del aire
Generador eléctricoGenerador eléctrico:: El eje de la turbina de gas acciona al El eje de la turbina de gas acciona al
generador eléctrico. La energía mecánica (Trabajo) que legenerador eléctrico. La energía mecánica (Trabajo) que le
transfiere la turbina de gas al generador eléctrico se transformatransfiere la turbina de gas al generador eléctrico se transforma
en energía eléctrica por la acción de los campos magnéticosen energía eléctrica por la acción de los campos magnéticos
Trabajo de la turbina de gasTrabajo de la turbina de gas Energía eléctrica Energía eléctrica
89
Turbina de gas
35
La energía eléctrica la utilizamos
en el hogar para: en máquinas:
36
Consumo eléctrico en el hogarEjemplo: Consumo de energía eléctrica de una televisión
Tenemos una televisión que tiene un consumo de 220 W.Tenemos una televisión que tiene un consumo de 220 W.
Éste número es la potencia (energía por unidad de tiempo)Éste número es la potencia (energía por unidad de tiempo)
El consumo de energía de la televisión dependerá de cuanto tiempo la tenemos prendida.
Si la tenemos prendida 4 horas al día,
el consumo de energía de la televisión en un día es de:
(220 W) (4 Horas) = 880 W hora = 0.88 kW hora = 0.88 kW h
En un bimestre (60 días) el consumo de energía eléctrica de la televisión En un bimestre (60 días) el consumo de energía eléctrica de la televisión es de:es de:
(0.88) (0.88) (60) = 52.8 kW h (60) = 52.8 kW h
Este consumo de energía eléctrica viene reflejado en el recibo de
Luz y Fuerza del Centro ( o CFE)
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Consumo eléctrico en el hogar
Aparato eléctrico
Potencia
(W)
Número de horas diarias
de uso
Consumo de energía eléctrica en un bimestre
(kW h)
Focos10 focos de
60 W c/u5 (10*60*5)*60/1000 180.0
Televisión 220 4 (220*4)*60/1000 52.8
Refrigerador 400 6 (400*6)*60/1000 144.0
Plancha 1000 0.5 (1000*0.5)*60/1000 30.0
Cafetera 850 0.25 (850*0.25)*60/1000 12.8
TOTAL 419.6
38
Contenido
Conceptos básicos
Formas de energía
La cadena de la energía
39
La cadena de la energía está formada por los siguientes La cadena de la energía está formada por los siguientes elementos:elementos: Fuentes primarias de energíaFuentes primarias de energía Fuentes secundarias de energíaFuentes secundarias de energía Usuarios de la energíaUsuarios de la energía
Las Las FUENTES PRIMARIASFUENTES PRIMARIAS de energía son los recursos de energía son los recursos disponibles en la naturaleza para abastecer las necesidades disponibles en la naturaleza para abastecer las necesidades de energía que demandan nuestras actividades. Casi siempre de energía que demandan nuestras actividades. Casi siempre las transformamos en otras formas de energía para poder las transformamos en otras formas de energía para poder aprovecharlas. Las clasificamos en fuentes renovables y no-aprovecharlas. Las clasificamos en fuentes renovables y no-renovables. Debemos promover la utilización de las fuentes renovables. Debemos promover la utilización de las fuentes renovables.renovables.
La cadena de la energía (1/3)
Fuentes renovables Fuentes no-renovablesRadiación solar
Biomasa
Hidráulica
Eólica (viento)
Geotérmica
Petróleo y Gas
Carbón
Uranio (nuclear)
40
La cadena de la energía está formada por los siguientes La cadena de la energía está formada por los siguientes elementos:elementos: Fuentes primarias de energíaFuentes primarias de energía Fuentes secundarias de energíaFuentes secundarias de energía Usuarios de la energíaUsuarios de la energía
Las Las FUENTES SECUNDARIASFUENTES SECUNDARIAS de energía las obtenemos de de energía las obtenemos de las fuentes primarias (transformación de una forma de las fuentes primarias (transformación de una forma de energía en otra). Son las fuentes directas de energía que energía en otra). Son las fuentes directas de energía que aprovechamos para nuestras actividades. Será una energía aprovechamos para nuestras actividades. Será una energía renovable si proviene de una FUENTE PRIMARIA DE renovable si proviene de una FUENTE PRIMARIA DE ENERGÍA RENOVABLE.ENERGÍA RENOVABLE.
Las FUENTES SECUNDARIAS DE ENERGÍA son:Las FUENTES SECUNDARIAS DE ENERGÍA son: BiomasaBiomasa ElectricidadElectricidad Productos petrolíferosProductos petrolíferos
La cadena de la energía (2/3)
41
La cadena de la energía (3/3)Fuentes Fuentes
primarias de primarias de energíaenergía
Fuentes Fuentes secundarias de secundarias de
energíaenergía
Usuarios de la Usuarios de la energíaenergía
Están Están disponibles en disponibles en la naturalezala naturaleza
Se obtienen de Se obtienen de las fuentes las fuentes primariasprimarias
La usamos en La usamos en nuestro nuestro
beneficiobeneficio
Radiación solar
Biomasa
Hidráulica
Eólica (Viento)
Geotérmica
Petróleo y gas
Carbón
Uranio (Nuclear)
Biomasa
Electricidad
Gasolina
Diesel
Turbosina
Queroseno
Combustóleo
Gas natural
Gas licuado
Alimentos
Aparatos
eléctricos
Automóviles
Camiones
Aviones
Estufas
Calentadores
SENER: http://www.energia.gob.mx (2002)
42
Fuentes de energía primaria en México
Fuentes de Energía Primaria
1.0%6.1%
1.9%
4.6%
13.5%
5.6%
80.8%
Carbón Petróleo y Gas Nucleoenergía (Uranio)
Hidroenergía Geoenergía Energía eólica
Biomasa
SENER: http://www.energia.gob.mx (2002)
43
Fuentes de energía primaria para generar energía eléctrica en México
Generación de Energía Eléctrica
20.0%2.7%
4.9%
12.4%
8.1%
72.0%
Carbón Petróleo y Gas Nucleoeléctrica Hidroeléctrica Geotérmica
SENER: http://www.energia.gob.mx (2002)
44
Consumo final de energía en México por sectores
Consumo de Energía por Sectores
36.0%
2.6%
21.0%
40.3%
Residencial Transporte Agropecuario Industria
SENER: http://www.energia.gob.mx (2002)
45
Consumo final de energía en México por tipo de combustible
Consumo de Energía por Combustible (por Día)
Biomasa8.4%
Gas Natural12.0%
Electricidad14.4% Diesel
13.2%
Gasolina25.7%
Gas LP11.2%
Otros15.1%
40 x 106 Litros
50 x 106 Litros
85 x 106 Litros
450 x 106 kW h
46
Energía en la WEB
http://www.energia.gob.mx/http://www.energia.gob.mx/
http://www.conae.gob.mx/http://www.conae.gob.mx/
http://www.energy.gov/http://www.energy.gov/
http://www.eia.doe.gov/http://www.eia.doe.gov/
http://europa.eu.int/http://europa.eu.int/
http://www.ftexploring.com/http://www.ftexploring.com/
http://www.eia.doe.gov/kids/http://www.eia.doe.gov/kids/
http://www.howstuffworks.com/http://www.howstuffworks.com/
47
¡ Gracias !
