TEMA 4 Energía. Teoría - Inicio | IES Clara...
15
Energía. Teoría 1 TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
Transcript of TEMA 4 Energía. Teoría - Inicio | IES Clara...
Energía. Teoría
1
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
Energía. Teoría
2
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
1. ¿Qué es la energía?
La energía se encuentra a nuestro alrededor y hacemos uso de ella a diario. Por
ejemplo, al caminar o realizar cualquier actividad física, ponemos en acción los
músculos del cuerpo que consumen energía para que nos podamos mover. En
definitiva, ningún ser vivo podría subsistir sin energía y nuestra sociedad es cada vez
más dependiente de ella.
La energía es una magnitud física y se define como la capacidad que tienen los
cuerpos o sistemas materiales para producir transformaciones a su alrededor.
También podemos decir que la energía es la capacidad de un cuerpo de producir un
trabajo. Se realiza un trabajo cuando al aplicar una fuerza sobre un objeto, este se
desplaza.
La fórmula para producir un trabajo es:
W = F • d
donde W es el trabajo, F la fuerza aplicada y d la distancia
La energía es una magnitud física y en el Sistema Internacional de Unidades (SI) se
mide en julios (J).
Hay otras unidades que, aunque no pertenecen a este sistema, también son muy
utilizadas, como la caloría (cal), que suele usarse para indicar el contenido energético
de los alimentos, y el kilovatio-hora (kWh), que es la unidad con que se mide la
electricidad consumida en nuestras casas.
La equivalencia entre estas unidades es: 1 cal = 4,18 J y 1 kWh = 3,6 • 106 J.
Energía. Teoría
3
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
1.1.- Las características de la energía
La energía tiene unas propiedades muy útiles que los humanos aprovechamos en
numerosos dispositivos y máquinas para realizar diversas actividades:
Se conserva: la energía no aparece de la nada ni desaparece. En toda
transformación, la energía que pierde un cuerpo, la gana otro. Esta es una ley
general que se conoce como principio de conservación de la energía y expresa que
en cualquier intercambio, la energía total de un sistema se transforma de una
forma en otra pero siempre se conserva: ni se crea ni se destruye.
Se transforma: la energía se puede convertir de una forma en otra. Por ejemplo, en
una central hidroeléctrica la energía mecánica del agua se transforma en energía
eléctrica y esta, a su vez, se transforma en energía química cuando cargamos la
batería de un teléfono móvil.
Se transfiere: la energía puede pasar de un cuerpo a otro. Esto se conoce
como transferencia de energía y puede ocurrir de dos formas: como calor o
como trabajo. El gas que arde en el fogón de la cocina transfiere calor a un cazo con
agua. La gasolina que arde en el motor de un coche transfiere trabajo a las ruedas
del coche haciendo que se desplace. El calor y el trabajo son energía en tránsito.
Se almacena: la energía se puede almacenar, por ejemplo, en las baterías y en las
pilas. Los cuerpos poseen mayor o menor cantidad de energía. A mayor energía,
mayor será también su capacidad para provocar cambios.
Se degrada: en todos los procesos hay una parte de energía que se transforma en
otra no aprovechable para provocar una nueva transformación, por eso se dice que
se ha degradado. Por ejemplo, podríamos aprovechar la luz de una bombilla
eléctrica para transformarla en otra forma de energía, pero no el calor que disipa a
su alrededor.
1.2.- Ley de la conservación de la energía Fue formulada por Mayer en 1845, esta ley dice
que la energía ni se crea no se destruye, solo se
transforma.
Esto lo vemos a nuestro alrededor, la energía
del Sol hace que el aire se caliente y se desplace
produciendo viento, este viento puede mover
las aspas de un aerogenerador y `transformarse
en energía eléctrica que podemos transformar
en nuestras casa en calor en una estufa.
Energía. Teoría
4
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
2. Los tipos de energía
La energía se manifiesta de muchas formas distintas según el tipo de transformaciones
en las que interviene, así tenemos energía mecánica, eléctrica, térmica, radiante,
química o nuclear entre otras.
2.1 La energía mecánica, motriz o del movimiento
La energía mecánica es la suma de la energía potencial y la cinética. Es la energía que
mueve a todo: los coches, el viento, las olas, etc.
Em = Ep + Ec
Energía cinética.
Los cuerpos que se encuentran en movimiento tienen energía cinética, depende de la
masa del cuerpo y de la velocidad que lleven. Su ecuación es:
𝐸𝑐 = 1
2 𝑚 ∙ 𝑣2
Energía potencial
Los cuerpos que se encuentran a una cierta altura tienen energía potencial
gravitatoria. Esta energía potencial depende de la masa del cuerpo y de la altura a la
que se encuentre.
Ep = m ∙ g ∙ h
m = la masa
g = aceleración de la gravedad (g = 9,8 m/s2)
h = altura en metros
Cuando montamos en la montaña rusa, la
energía potencial gravitatoria del tren
situado en lo alto se transforma en energía
cinética a medida que baja por los
rieles. Cuando el tren vuelve a subir, la
energía cinética se vuelve a transformar en
energía potencial y por ello disminuye su
velocidad a medida que gana altura.
Energía. Teoría
5
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
2.2.- Energía potencial elástica
Está asociada a los muelles o resortes que sufren una compresión. Depende del material con el que esté construido el muelle y la distancia que se desplace
𝐸𝑝𝑒 = 1
2 𝐾 ∙ 𝑥2
Siendo K la constante elástica específica para cada muelle, y x la distancia que se desplace el muelle.
2.3 La energía eléctrica
La energía eléctrica es una de las más importantes en la vida diaria. La usamos para
hacer funcionar el teléfono móvil, los ordenadores, la lavadora, el secador de pelo, el
televisor, etc. Además, se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como
el movimiento de cargas eléctricas a través de un cable conductor. Se puede
transmitir de un punto a otro y es muy versátil, ya que puede transformarse en
muchas otras formas, por ejemplo, en energía térmica (secador de pelo), luminosa
(bombilla), mecánica (lavadora), etc.
2.4 La energía térmica
La energía térmica se libera en forma de calor, por ejemplo, cuando la usamos para
cocinar o para calentar una habitación con una estufa. También la aprovechamos a
través del calor que nos llega del Sol. La energía térmica está asociada a los
movimientos de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo tiene más energía
térmica cuanto mayor es su temperatura.
El calor es la transferencia de energía térmica de un cuerpo con mayor temperatura a
otro más frío. Es, por tanto, energía y se mide en julios (J).
Energía. Teoría
6
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
Por su parte, la temperatura es una propiedad de la materia que indica el contenido
de energía térmica de un cuerpo. Se mide en grados Celsius (ºC) o kelvin (K).
2.5 La energía radiante
La luz del Sol es energía radiante, y también las ondas de radio y televisión, las de los
hornos microondas y los rayos X con que nos hacen las radiografías. La característica
principal de este tipo de energía es que se puede transmitir en el vacío mediante
ondas electromagnéticas.
2.6 La energía química
La energía química se manifiesta en las reacciones químicas. Por ejemplo, mediante la
digestión aprovechamos la energía química contenida en los alimentos. Un automóvil
funciona gracias a la energía química del combustible, la cual se manifiesta al
quemarse el combustible en el motor. Una pila o una batería también poseen este tipo
de energía.
2.7 La energía nuclear
La energía nuclear es la almacenada en el núcleo de algunos átomos como el uranio o
el plutonio, y se manifiesta en las reacciones nucleares denominadas fisión y fusión:
La fisión es el proceso mediante el cual un átomo grande, como el de uranio, se
desintegra dividiéndose en dos más pequeños y liberando una gran cantidad de
energía. Este proceso se lleva a cabo de forma controlada en las centrales nucleares
productoras de electricidad.
La fusión nuclear es el proceso mediante el cual los núcleos de dos átomos
pequeños se unen para formar uno más pesado. La energía del Sol proviene de la
fusión de átomos de hidrógeno en su interior.
3.- Calor y temperatura
3.1.- La energía térmica
Si ponemos a calentar un cazo con agua y sal, veremos como el agua líquida se va
evaporando hasta convertirse en vapor de gas a medida que aumenta la temperatura.
Si pudiéramos adentrarnos en el agua, veríamos que su interior no está en reposo. En
Energía. Teoría
7
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
los líquidos, como es el agua, cada una de las partículas vibra, se traslada y rota,
aunque estos movimientos no podamos observarlos a simple vista.
Ya sabes que si elevamos la temperatura de un cuerpo sólido (calentándolo), ese
cuerpo pasa de estado sólido a líquido o a estado gaseoso.
Así, podemos afirmar que la temperatura se relaciona con el movimiento de las
partículas que forman una sustancia. A esta relación entre la temperatura y el
movimiento de las partículas de un cuerpo es a lo que llamamos energía térmica.
3.2.- ¿Qué mide la temperatura?
No es correcto decir que la temperatura mide el calor de un cuerpo. Lo correcto es
decir que la temperatura mide la energía térmica de una sustancia o de un cuerpo. Así
pues, si un cuerpo se encuentra a mayor temperatura, lo que indica es que las
partículas que lo componen se mueven más deprisa que cuando el mismo cuerpo se
encuentra a menor temperatura.
Para medir la temperatura utilizamos el termómetro. La temperatura de los
termómetros ordinarios se mide en una escala llamada escala de Celsius, que emplea
los grados centígrados. En esta escala:
• El valor 0 ºC se asigna a la temperatura de congelación del agua.
• El valor de 100 ºC se asigna a la temperatura de ebullición del agua.
• El valor de 36,5 ºC se asigna al nivel del cuerpo humano
Energía. Teoría
8
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
Existen otras escalas para medir la temperatura, como la escala Fahrenheit, que se usa
en los países anglosajones, la fórmula para convertir los grados centígrados en
Fahrenheit y viceversa son:
𝐶 = (𝐹 − 32) ∙ 5
9 𝐹 =
9
5 ∙ 𝐶 + 32
Los científicos usan la escala de grados Kelvin o absoluta, en este caso
K = C +273
3.3.- El calor y el equilibrio térmico
Seguramente habrás experimentado esta sensación cuando te bañas en el mar o en la
piscina: cuando te metes en el agua, al principio el agua está muy fría pero, al cabo de
un rato, ya no te parece tan fría el agua.
Esto ocurre porque al entrar en contacto tu cuerpo (que está más caliente que el agua)
con el agua (que está más fría que tu cuerpo), se van igualando las temperaturas de
ambos cuerpos. El cuerpo que está a mayor temperatura (tú mismo) transmite parte
de su energía térmica al cuerpo que está a menor temperatura (el agua del mar o la
piscina) hasta conseguir lo que se llama equilibrio térmico.
Por todo esto podemos decir que el calor es la transferencia de energía térmica de un
cuerpo que está a mayor temperatura a otro que está a menor temperatura. El
equilibrio térmico se alcanza cuando se igualan las temperaturas de cuerpos que
entran en contacto. El calor siempre se transfiere de un cuerpo que está a mayor
temperatura a otro que está a menor temperatura.
3.4.- ¿Cómo se transmite el calor?
Dependiendo de la facilidad o dificultad que tengan los cuerpos para transmitir energía
en forma de calor, los podemos clasificar en conductores y aislantes.
Energía. Teoría
9
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
Los cuerpos conductores son los que transmiten fácilmente la energía térmica.
Por ejemplo, los metales.
Los cuerpos aislantes son los que no transmiten bien la energía térmica. Por
ejemplo, el vidrio, el plástico, la madera
Cuando dos cuerpos tienen distinta temperatura, uno le pasa calor a otro. Esta
propagación de energía térmica, se puede hacer de tres formas: por conducción, por
convección y por radiación.
a) Conducción: es la forma en que el calor se propaga en los sólidos. El calor se
transmite por contacto de una partícula a otra. Por ejemplo, cuando calentamos el
extremo del atizador de hierro, poco a poco, el calor pasa a través de todas las
partículas del atizador hasta que se calienta entera.
b) Convección: es la forma de transmisión del calor en los líquidos y en los gases. Al
calentar un líquido (como el agua de la tetera) este se mueve en forma circular y ese
movimiento hace que el calor se transmita a todos los puntos del líquido.
c) Radiación: es cómo se propaga el calor a través de las ondas, en forma de rayos
infrarrojos. Así le llega el calor al gato que está dormido junto a la chimenea.
Igualmente, por radiación, nos llega el calor del Sol.
4.- Las fuentes de energía
Las fuentes de energía son los recursos naturales de los cuales obtenemos energía
para producir electricidad, hacer funcionar las máquinas o calentar nuestras casas.
Energía. Teoría
10
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
Se clasifican en renovables, llamadas así porque no se agotan o se regeneran de forma
natural, y no renovables, las cuales existen en cantidades limitadas y no se pueden
reponer a corto plazo, por lo que el consumo puede llegar a agotar las existencias.
4.1 Las fuentes de energía renovables
Las fuentes de energía renovables se consideran limpias o no contaminantes porque
causan un impacto ambiental mínimo.
El ser humano las ha utilizado desde la antigüedad, por ejemplo en los molinos de agua
o viento, y en la navegación a vela. Sin embargo, a finales del siglo XX se comenzó a
pensar en ellas como una alternativa a las tradicionales, como el petróleo o el carbón.
4.1.1 La energía solar
El Sol es la mayor fuente de energía de la Tierra y da origen a la mayoría de las otras
fuentes de energía. La aprovechamos como fuente de calor para calentar el agua,
mediante paneles solares térmicos, o para producir electricidad, mediante placas
fotovoltaicas y heliostatos:
Los paneles solares o térmicos tienen en su interior unas tuberías por donde circula
un fluido que se calienta al ser expuesto a la luz solar. Luego este calor se transfiere
al agua que circula por el sistema de calefacción de la casa.
Las placas fotovoltaicas son capaces de transformar directamente la energía solar
en eléctrica y se emplean en las centrales fotovoltaicas. Otro tipo de centrales
productoras de electricidad son las termosolares, las cuales utilizanheliostatos, que
son grandes espejos que concentran la radiación solar. Esta es utilizada para
calentar agua y transformarla en vapor, que mueve una turbina conectada a un
generador y produce electricidad. Fíjate cómo funcionan las centrales termosolares
en esta animación de la Fundación Eroski [ver].
Una de las ventajas de la energía solar es que se genera en el mismo lugar donde se
consume y una de sus desventajas es la intermitencia, por lo que hay que almacenarla
para disponer de energía por la noche o en los días nublados.
Energía. Teoría
11
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
Placas fotovoltaicas usadas para la generación de energía eléctrica en una central fotovoltaica.
4.1.2 La energía eólica
El calentamiento desigual de las masas de aire en la atmósfera hace que estas se
desplacen de un punto a otro y originen los vientos. La energía eólica aprovecha la
energía cinética del viento, que es aire en movimiento.
La energía eólica se transforma en energía eléctrica mediante unos dispositivos
llamados aerogeneradores, que se agrupan en parques o centrales eólicas situados en
zonas con rachas de vientos constantes. Las aspas de los aerogeneradores están
conectadas a un eje que hace funcionar un generador de electricidad.
La energía eólica no contamina y es inagotable, pero tiene como inconveniente su
intermitencia, ya que está sujeta a las ráfagas de viento. Además, los aerogeneradores
provocan un gran impacto visual y pueden interferir en las rutas migratorias de las
aves.
Energía. Teoría
12
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
4.1.3 La energía del agua
Antiguamente, la energía del agua de los ríos se utilizaba para mover los molinos. Esta
misma idea es la que se aplica en la actualidad para aprovechar la energía mecánica
del agua de los ríos y mares, y transformarla en energía eléctrica en tres tipos de
centrales: hidroeléctricas, mareomotrices y undimotrices. Se caracterizan por:
Las centrales hidroeléctricas aprovechan la energía mecánica del agua acumulada
en embalses. Para ello, se construyen presas que retienen el agua del río a gran
altura. Al abrir las compuertas de la presa, el agua cae y su energía cinética se utiliza
para mover los dispositivos que generan electricidad.
Las centrales mareomotrices aprovechan los movimientos de ascenso y descenso
del agua del mar durante las mareas.
Las centrales undimotrices utilizan la energía cinética de las olas para producir
electricidad. Observa cómo funcionan tanto una central mareomotriz como una
undimotriz en esta animación de la Fundación Eroski [ver].
La energía hidráulica depende mucho de la disponibilidad hídrica y los embalses de las
centrales hidroeléctricas alteran el caudal de los ríos, lo que afecta a la fauna y la flora
de los alrededores.
4.1.4 La energía geotérmica
Las rocas fundidas en las profundidades de la Tierra se encuentran a elevadísima
temperatura y acumulan enormes cantidades de energía térmica. En determinadas
zonas del planeta, este calor del interior de la Tierra se transmite hacia la corteza
terrestre y se conoce como energía geotérmica. Las aguas subterráneas situadas en
estos lugares se calientan, incluso hasta llegar a la ebullición, y afloran a la superficie
como aguas termales, que se utilizan en sistemas de calefacción. También se realizan
perforaciones a gran profundidad, para extraer el vapor y hacer que mueva una
turbina para generar electricidad en las centrales geotérmicas.
Una de las ventajas de este tipo de energía es el bajo coste de las instalaciones y su
mínimo impacto ambiental, pero, en cambio, tiene la desventaja de que no se puede
transportar.
4.1.5 La energía de la biomasa
Mediante la fotosíntesis las plantas convierten la energía solar en materia orgánica,
que, a través de la cadena alimentaria, pasa a formar parte del resto de seres vivos.
Energía. Teoría
13
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
La energía de la biomasa se fundamenta en aprovechar la materia orgánica
procedente de los residuos de explotaciones ganaderas, agrícolas y forestales, de los
desechos de jardines, parques y bosques, y también de los cultivos destinados
especialmente a la obtención de biomasa, que reciben el nombre de cultivos
energéticos.
Toda esta materia se quema para producir energía térmica, se transforma en
otros combustibles, como alcohol y biogás, o se usa para generar electricidad en
las centrales de biomasa.
4.2 Las fuentes no renovables
A partir de la revolución industrial, la demanda de energía creció de manera notable y
se empezaron a consumir grandes cantidades de combustibles fósiles. En la actualidad
representan casi el 80 % del consumo de energía mundial. Estos recursos se
encuentran de forma limitada en la naturaleza y su uso indiscriminado acabará por
agotarlos.
4.2.1 Los combustibles fósiles
Los combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo y el gas natural, se formaron
hace millones de años a partir de los restos de plantas y animales depositados en el
fondo de antiguos mares y pantanos. Estos se mezclaron con otros sedimentos y
sufrieron complejos procesos geológicos en el interior de la corteza terrestre.
El carbón es un mineral de color negro procedente de la transformación y
fosilización de grandes masas vegetales durante millones de años. En la actualidad
su uso se restringe a algunas centrales térmicas productoras de electricidad.
Energía. Teoría
14
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
El petróleo es un líquido oscuro y viscoso formado por compuestos de carbono e
hidrógeno llamados hidrocarburos. Es el más usado en la actualidad y de él se
extraen combustibles como la gasolina, el gasoil y el fuel. Se obtiene de los pozos
de petróleo y de las plataformas petrolíferas en el mar.Se usa, sobre todo, como
combustible en los medios de transporte y en diversas maquinarias.
El gas natural se obtiene junto a las explotaciones de petróleo. Está compuesto
principalmente por un hidrocarburo llamado metano. Es el combustible que
habitualmente usamos en nuestros hogares como calefacción y en la
cocina. También se usa para producir electricidad en las centrales térmicas de ciclo
combinado, mucho más eficientes que las tradicionales porque los gases de la
combustión se usan para mover las turbinas y, a la vez, para convertir agua en
vapor, que también las mueve. Fíjate cómo funciona esta central [ver].
No obstante, el gran inconveniente de los combustibles fósiles es que durante su
combustión se generan grandes cantidades de gases contaminantes que provocan
contaminación atmosférica.
4.2.2 Los combustibles nucleares
Los más usados en las centrales nucleares son el uranio y el plutonio. El primero
procede de minerales muy poco abundantes en la naturaleza y el segundo se sintetiza
en el laboratorio.
Estos combustibles se someten a procesos de fisión nuclear de los que se obtiene gran
cantidad de energía térmica que se transforma en energía eléctrica.
La generación de energía mediante combustibles nucleares no provoca contaminación
directa, pero genera residuos radiactivos de alta peligrosidad que deben ser
almacenados en lugares especialmente acondicionados y bajo estrictas normas de
seguridad.
5.- Posibles problemas asociados a la utilización de la energía
Vivimos en una sociedad totalmente dependiente de la energía tanto a nivel
doméstico como industrial. La mayor parte de la energía que consumimos proviene de
fuentes no renovables, las cuales, además de ser limitadas, causan graves problemas
de contaminación.
La producción de energía de un país es fundamental para el desarrollo de todo tipo de
actividades, tanto industriales como comerciales o domésticas, las cuales implican
el consumo de energía en forma de electricidad y combustibles.
En España se utiliza mucha energía para producir electricidad, fundamentalmente a
partir de fuentes como la nuclear, la hidráulica y el gas natural. Nuestro país se
Energía. Teoría
15
TEMA 4 FÍSICA Y QUÍMICA
autoabastece en cuanto a las dos primeras, pero los recursos propios de gas natural
son insuficientes. Asimismo, el petróleo y sus derivados siguen siendo la principal
fuente de energía de la industria y el transporte.
Desde el año 2007 se incrementó el uso de energías renovables y actualmente España
es uno de los primeros productores mundiales de electricidad mediante energía
eólica. Sin embargo, solo satisface una pequeña porción de la demanda de energía
eléctrica del país.
Se gasta más energía de la que se produce, por lo que casi las tres cuartas partes se
debe importar de otros países, lo que genera un grave déficit energético.
El déficit energético es la incapacidad de un país de autoabastecerse con recursos
energéticos propios. Cuando esta necesidad no está cubierta, se requiere importar
energía.
Además, en el caso del petróleo, se han de añadir los costes del transporte y los
riesgos ambientales que comporta, como los vertidos marítimos ocasionados por los
barcos petroleros.
En definitiva, hacer un uso racional y eficiente de la energía implica revisar nuestros
hábitos de consumo y esforzarnos por usar la energía estrictamente necesaria. Con
ello conseguimos un importante ahorro de recursos energéticos y contribuimos a
minimizar la contaminación del medio ambiente.
