Tecnología Industrial 1 1º Bachillerato (Everest)_Tema 1

Antoine A. Cournot (1801-1877), matemático y filósofo francés, distinguía claramente dos conceptos de ciencia: las ciencias especulativas o teóricas y las ciencias técnicas. En este sentido, por tanto, lo técnico implica practicidad y en cierta medida se opone a lo teórico o especulativo que mira casi exclusivamente al pensamiento. Más aún, no faltan autores para los que la técnica se refiere al procedimiento, al empleo de ciertos instrumentos y a la utilización de ciertos materiales con destino a un arte, a un oficio o a una industria.

PRESENTACIÓN

La sociedad actual, que basa en la técnica una parte importante de su potencialidad económica, exige una complementariedad entre lo teórico y lo práctico. No basta saber qué se hace sino cómo se hace, por qué se hace y para qué se hace. Los procedimientos técnicos no deben ser divergentes del método y pensamientos científicos. Éste es, en síntesis, el objetivo principal de este libro: ofrecer en complementariedad de finalidades aquellos soportes teóricos que se traducen en una operatividad práctica. Evidentemente, y según los diversos aspectos que se estudien, han de converger una serie de conceptos y cálculos básicos. En algunos casos será la Física quien sirva de fundamento al proceso tecnológico; en otros lo serán la Química, la Biología… la Economía incluso. A lo largo del texto se ha buscado un lenguaje sencillo y una exposición lo más próxima a situaciones reales; estimulando al alumno hacia un progreso personal acorde con sus capacidades y habilidades. Por otra parte, se ha puesto especial interés en resaltar la influencia que el desarrollo tecnológico ejerce sobre el entorno y sobre el medio ambiente, analizando causas y soluciones, así como todos aquellos aspectos que incidan en la seguridad e higiene siempre exigible en todo trabajo. En nuestro deseo de servir al Profesorado, alumnos y alumnas, agradecemos todas aquellas sugerencias que ayuden a una mejora constante de esta obra que, en definitiva, redundará en una mejor formación del alumnado. LOS AUTORES

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RECURSOS ENERGÉTICOS

SUMARIO 1. La energía, el motor del mundo 2. Los combustibles fósiles 3. La energía nuclear 4. La energía hidráulica 5. Las energías alternativas 6. Consumo y ahorro de energía

ualquier proceso tecnológico resultaría inconcebible si no fuese acompañado de la utilización de energía. La energía se necesita para la obtención de materiales, para la fabricación de todo tipo de piezas mecánicas, para el funcionamiento de máquinas y herramientas… Esta energía, cuyo íntimo significado aún desconocemos, procede en última instancia del Sol y en gran parte ha estado almacenada en nuestro subsuelo durante miles de años en forma de combustibles fósiles. Su explotación masiva desde los tiempos de la Revolución Industrial ha conducido a la sociedad al estado de desarrollo en que actualmente se encuentra.

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Este bloque temático está dedicado, por entero, al estudio de la energía y sus modos de aprovechamiento y utilización, sin olvidar los problemas que plantea su consumo incontrolado. La energía es un bien imprescindible, pero que escasea cada vez más. No debemos, por lo tanto, derrocharla si queremos que la humanidad continúe avanzando por senderos de progreso y bienestar.

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LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO

CONTENIDOS 1. ¿QUÉ ES LA ENERGÍA? 1.1. Unidades de energía. 2. FORMAS O CLASES DE ENERGÍA 2.1. Energía mecánica. 2.2. Energía nuclear. 2.3. Energía interna. 2.4. Calor. 2.5. Energía química. 2.6. Energía radiante. 2.7. Energía eléctrica. 3. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA 4. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS 4.1. Rendimiento de las transformaciones energéticas. 5. FUENTES DE ENERGÍA 6. IMPORTANCIA DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

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«La especie humana, al igual que las demás especies, depende de la energía para su supervivencia. Salvo la pequeña parte que proviene del calor interno de la Tierra –cuyas manifestaciones más evidentes son los volcanes, los géiseres y las fuentes de aguas termales– y la producida por la descomposición de los elementos radiactivos, la energía de que disponen los seres vivos para realizar sus funciones viene procurada directa o indirectamente por el Sol. Nuestra especie, sin embargo, ha aprendido a utilizar una gran variedad de formas de energía y a ello debe su espectacular crecimiento y su prosperidad. Pero el éxito de la humanidad en el aprovechamiento energético genera a su vez una variada gama de graves problemas, entre los que destacan la dependencia de formas de energía no renovables o de muy lenta renovación y la producción de enormes volúmenes de residuos contaminantes». René-François Bizec, tomado del prólogo de Las nuevas energías, RBA Editores, Barcelona, 1980.

UNIDAD 1. ¿QUÉ ES LA ENERGÍA?

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Recuerda

La mayor parte de los cuerpos pueden, en determinadas situaciones, realizar un trabajo. Se dice de ellos que poseen energía, palabra acuñada hace dos siglos por el físico inglés Thomas Young y que en griego significa «trabajo dentro». La Ciencia no dispone aún de una definición correcta de la energía. Sabemos cómo se manifiesta, qué efectos produce… pero desconocemos su naturaleza, lo que impide concretar en palabras su significado. Por ello, tenemos que conformarnos con establecer –a modo de definición– que: Energía es la capacidad para realizar un trabajo.

Ejemplos

Trabajo es el producto de la fuerza F aplicada a un cuerpo por la distancia s que recorre su punto de aplicación y por el coseno del ángulo que forman las direcciones de ambos: W  F •s •cos . Su unidad en el Sistema Internacional es el julio (J). Potencia de un ser o de una máquina es el cociente que resulta de dividir el trabajo W que realiza entre el tiempo t que tarda en realizarlo: P  W/t. Su unidad internacional es el watio (W).

1. Un muelle comprimido posee energía, porque al dejarlo en libertad puede empujar un objeto, realizando un trabajo. 2. Una masa de agua embalsada a una cierta altura posee energía, puesto que al dejarla caer puede mover los álabes de una turbina, produciendo trabajo mecánico. 1.1. Unidades de energía La energía se identifica con el trabajo; de ahí que se mida en las mismas unidades: • Julio: es el trabajo que realiza una fuerza de 1 newton al desplazar su punto de aplicación 1 metro en su misma dirección. • Kilográmetro: es el trabajo realizado por una fuerza de 1 kilopondio al desplazar su punto de aplicación 1 metro en su misma dirección. • Caloría: es la cantidad de calor necesaria para elevar, a la presión normal, la temperatura de 1 gramo de agua desde 14,5 ºC a 15,5 ºC. Equivale a 4,18 julios. • Kilowatio-hora: es el trabajo realizado por un ser o una máquina de 1 kW de potencia durante 1 hora de funcionamiento. Equivale a 3,6 • 106 julios.

ACTIVIDADES 1. Un cuerpo de masa 5 kg, inicialmente en reposo, está situado en un plano horizontal sin rozamientos y se le aplica una fuerza horizontal constante de 100 N durante 5 minutos. Con esa fuerza el cuerpo logra desplazarse 240 m. a) ¿Qué trabajo se realizó? Expresa el resultado en julios y en kilográmetros. b) ¿Cuál es el valor de la potencia mecánica desarrollada? Resultados: a) W  2,4• 10 4 J  2,45 • 10 3 kgm; P  80 W

En constante aumento En tiempos prehistóricos el consumo energético por habitante y día se reducía a unas 3 000 kilocalorías.

2. Se arrastra una piedra tirando de ella mediante una cuerda que forma con la horizontal un ángulo de 30º y a la que se aplica una fuerza constante de 40 kp. ¿Cuánto vale el trabajo realizado en un recorrido de 200 m? Resultado: W  40 000  3J

Hace unos 40 000 años, cuando ya se usaban animales domésticos y se conocía el fuego, el consumo por habitante y día se elevó a unas 10 000 kilocalorías.

3. Mediante un motor de 1/5 CV de potencia, un cuerpo asciende 10 m en 2 s. ¿Cuál es la masa del cuerpo? (Recuerda que 1 CV = 735 W). Resultado: m  3 kg

Hoy, ya en el siglo XXI, el gasto de energía en los países muy desarrollados supone unas 300 000 kilocalorías por habitante y día.

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LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO 2.

FORMAS O CLASES DE ENERGÍA La energía se manifiesta de múltiples formas, pudiendo convertirse unas en otras con mayor o menor dificultad. Entre estas distintas clases de energía se pueden citar las siguientes: 2.1. Energía mecánica Es la energía almacenada en los cuerpos materiales, y puede definirse como la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo en virtud de su velocidad (energía cinética), de su posición en un punto de un campo gravitatorio (energía potencial gravitatoria), de su estado de tensión (energía potencial elástica), etc. 2.1.1. Energía cinética Energía cinética (Ec) es la energía que posee un cuerpo en movimiento, debido a su velocidad. La energía cinética de un cuerpo de masa m que se desplaza a una velocidad v viene dada por la expresión:

Una unidad energética En la actualidad el índice de consumo de energía por habitante se mide en TEC (toneladas de carbón equivalente) y permite comparar, con un grado bastante bueno de aproximación, los niveles de desarrollo de los distintos países.

1 2 E c   m •v 2 Si sobre un cuerpo actúa una fuerza que realiza un cierto trabajo W, y la velocidad del cuerpo aumenta desde un valor inicial v1 a otro final v2, se cumplirá, conforme se ha visto en cursos anteriores, que: 1 1 W   m •v 22   m •v 21  EC 2  EC 1  E c 2 2 expresión matemática del llamado teorema de la energía cinética o de las fuerzas vivas, que se puede enunciar así: El trabajo realizado por una fuerza al actuar sobre su cuerpo durante cierto tiempo es igual a la variación de energía cinética experimentada por el cuerpo en ese tiempo.

Ejemplos

Si la velocidad del cuerpo y, por consiguiente, su energía cinética disminuye, será el propio cuerpo quien realice trabajo, y éste será negativo.

Un proyectil de 0,4 kg atraviesa una pared de 0,5 m de espesor. La velocidad del proyectil al llegar a la pared era de 400 m/s y al salir, de 100 m/s. Calcular: a) La energía cinética del proyectil al llegar a la pared y al salir de ella. b) El trabajo realizado por el proyectil. Solución: 1 2 2 a) Ec de llegada  EC1   m • v 1  1/2 • 0,4 kg •(400 m/s)  32 000 J 2 1 Ec de salida  EC2   m • v 22  1/2 • 0,4 kg (100 m/s) 2  2 000 J 2 b) W  EC  EC2  EC1  2 000 J  32 000 J   30 000 J (Observa que el trabajo es negativo, al ser producido por el proyectil que tiene que vencer la resistencia que opone la pared a su penetración).

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UNIDAD

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2.1.2. Energía potencial gravitatoria Energía potencial gravitatoria (Epg) es la energía que posee un cuerpo debido a la posición que ocupa en un campo gravitatorio. Si un cuerpo de masa m está situado a una altura h dentro de un campo gravitatorio, actuará sobre él una fuerza –su peso, mg– y si se le abandona libremente, esta fuerza recorrerá un camino –la altura h–, con lo cual realizará un trabajo: W  m•g•h, que es una medida de la energía potencial gravitatoria que poseía. Por tanto: E p g  m •g •h Con respecto a esta expresión, conviene tener en cuenta tres cuestiones fundamentales: • Para conocer la energía potencial gravitatoria de un cuerpo es necesario saber la altura h a la que se encuentra, y para ello es preciso que previamente se determine un nivel de referencia. Por ejemplo, si se dice que un objeto está a 2 metros de altura, habrá que señalar si esta altura se mide sobre el suelo, sobre el nivel del mar, sobre la terraza de una casa, etc. Este nivel o punto de referencia suele denominarse nivel cero de energía potencial gravitatoria. Por eso, en realidad, no podemos hablar de energía potencial gravitatoria en sentido absoluto, sino únicamente de diferencias de energía potencial gravitatoria entre dos puntos: el de situación del cuerpo y el de referencia. Y escribiremos de una forma más correcta: W  mg(h  ho), que equivale a establecer que el trabajo realizado contra las fuerzas del campo gravitatorio se invierte en incrementar la energía potencial gravitatoria del cuerpo.

Pm•g h

Ep  m • g • h

Generalizando el concepto No solamente existe energía potencial gravitatoria. Todo cuerpo situado en un campo de fuerzas posee energía potencial. Así, cabe hablar de energía potencial eléctrica, energía potencial magnética, etc.

• La expresión Epg  mgh sólo es válida para alturas pequeñas, en las que el valor de la aceleración de la gravedad g se pueda considerar constante. • Si se realiza trabajo sobre un cuerpo (en contra del campo gravitatorio) y su altura aumenta, también aumentará su energía potencial gravitatoria. Por el contrario, si el cuerpo se acerca al nivel cero, disminuyendo el valor de h y, por lo tanto, su energía potencial gravitatoria, es precisamente el campo quien realiza trabajo a expensas de la energía perdida por el cuerpo.

Ejemplos Un objeto de 50 kg se halla a 10 m de altura sobre la azotea de un edificio, cuya altura, respecto al suelo, es 250 m. ¿Qué energía potencial gravitatoria posee dicho objeto? Solución: La pregunta, enunciada así, admite dos respuestas posibles: se puede calcular la energía del objeto respecto al suelo de la azotea, o respecto al suelo real del edificio. 2 En el primer caso: Ep g  m g h  50 kg • 9,8 m/s •10 m  4 900 J 2 En el segundo: Ep g  m g h  50 kg •9,8 m/s •260 m  127 400 J Por lo tanto, a la hora de resolver el problema debemos especificar cuál ha sido el nivel de referencia que hemos considerado.

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LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO 2.1.3. Energía potencial elástica Es evidente que si estiramos un muelle o lo comprimimos con una fuerza F realizamos un trabajo. Este trabajo queda almacenado en el muelle en forma de energía, la cual se pone de manifiesto al soltarlo. Esta energía se denomina energía potencial elástica, Epx, y podemos definirla así: Energía potencial elástica es la energía que posee un cuerpo elástico (resorte) en virtud de su estado de tensión.

Un muelle comprimido posee energía almacenada.

1 2 Su valor viene dado por: Ep x  k •x 2

siendo k la constante elástica

del resorte y x su deformación.

Ejemplos Un muelle, de longitud 20 cm, se alarga a 28 cm al aplicarle una fuerza de 2 N. ¿Qué energía potencial elástica posee en estas condiciones? Solución:

La ley de Hooke La ley de Hooke establece que en los cuerpos elásticos la fuerza deformadora F es directamente proporcional a la deformación x producida: F = k •x, siendo k la denominada constante elástica del resorte, que se expresa en el Sistema Internacional en N/m.

Calcularemos, en primer lugar, el valor de la constante elástica del resorte por aplicación de la ley de Hooke; observando que se alargó 8 cm (0,08 m): x  28 cm - 20 cm  8 cm  0,08 m. Como F  k•x ⇒

F 2N k  25 N/m x 0,08 m

1 1 N 2 2 Por lo tanto: Epx   k •x  —•25  •(0,08 m)  0,08 J 2 2 m

2.2. Energía nuclear Se trata de una energía propia de la materia y que se libera al fisionarse –fragmentarse– o fusionarse –unirse– los núcleos de determinados átomos. Procede de la transformación de la materia en energía de acuerdo con la relación de Einstein: E  m •c2 según la cual 1 gramo de masa, transforma13 do íntegramente en energía, equivale a 9•10 julios.

¡Qué poco nos llega! La mayor parte de la energía emitida por el Sol se pierde en el espacio. Debido a la gran distancia a la que se encuentra la Tierra, a ésta sólo le llega una pequeña fracción de esa energía: en las capas altas de la atmósfera sobre una superficie de 1 metro cuadrado situada perpendicularmente a los rayos solares incide cada segundo una cantidad de energía de 1,38 kJ.

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La energía que se libera en el Sol es precisamente energía nuclear de fusión: en cada segundo algo más de 4 millones de toneladas de masa se convierten en 4•1026 julios de energía, que es enviada desde el Sol a todo el espacio. 2.3. Energía interna La materia está formada por moléculas y átomos que se encuentran en constante movimiento. A su vez, en los átomos existen otras partículas que también se mueven. Aunque un cuerpo esté en reposo, todas estas partículas están en continua agitación y poseen, por consiguiente, energía cinética.

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Pero no es sólo esto: también existen fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas, lo que significa que el sistema posee energía potencial. Energía interna (U) de un cuerpo es la suma de las energías de todas las partículas que lo constituyen. La energía interna de un cuerpo depende también de su temperatura y de la presión a la que está sometido, y puede aumentar cuando se realiza un trabajo sobre el cuerpo o se le pone en contacto con otro a mayor temperatura. En este último caso la energía se ha transmitido en forma de calor, como se verá más adelante. 2.4. Calor Es una forma de energía debida a la agitación de las moléculas que componen un cuerpo, que se manifiesta por las variaciones de temperatura, cambios de estado y de volumen de los mismos y que se transmite de unos a otros como consecuencia de una diferencia de temperatura. Esta transmisión de calor puede tener lugar de tres maneras diferentes:

Hay que evitar errores El calor es una energía en tránsito. Por eso, carece de sentido hablar de «calor almacenado en un cuerpo», pues sólo puede almacenarse energía.

• Conducción. Consiste en un transporte de energía calorífica sin transporte de materia, pero en presencia de ésta. Es un proceso típico de los sólidos, consecuencia de la agitación molecular que hace posible el intercambio de energía cinética entre unas moléculas y sus vecinas. Los metales son buenos conductores del calor. Por eso, es necesario proveer de asas o mangos de sustancias malas conductoras a los utensilios domésticos de metal que hayan de ser calentados. Las sustancias malas conductoras, como madera, corcho, plástico, etc., se utilizan como aislantes del calor. El aire, siempre que no esté en movimiento, es un buen aislante: por eso, se emplean dobles tabiques y vidrieras con aire en medio como aislantes del calor en las viviendas. • Convección. Es un transporte de energía calorífica con transporte de materia. Es un proceso típico de los fluidos. Las moléculas de éstos disminuyen de densidad al calentarse, y ascienden en el seno del fluido, siendo ocupado su lugar por otras moléculas más densas, que se calentarán de igual modo, estableciéndose así las llamadas «corrientes de convección». La convección gaseosa explica el tiro de las estufas y chimeneas. Como los productos derivados de la combustión son menos densos que el aire, ascienden a través de la chimenea, produciendo una aspiración de aire puro que entra por la abertura de la chimenea o de la estufa, avivando la combustión.

Corrientes de convección.

Del mismo modo se explica la calefacción central. El agua se calienta en la caldera situada en el sótano del edificio y al disminuir su densidad asciende a los radiadores, y el agua fría, más densa, desciende a la caldera, y de esta forma se establecen corrientes de convección que circulan ininterrumpidamente. • Radiación. Consiste en un transporte de energía calorífica que puede tener lugar tanto en presencia de materia como en ausencia de ella, es decir, en el vacío. Se produce por medio de ondas electromagnéticas, análogas a las de la luz, radio, televisión, etc., pero de un determinado rango de frecuencia. De esta forma, precisamente, se propaga la energía del Sol a través del espacio.

Recuerda El calor se suele medir en calorías (cal) . 1 cal = 4,18 J.

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LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO 2.5. Energía química Todas las sustancias químicas poseen una cierta energía que se pone de manifiesto cuando, al reaccionar, se transforman en otras sustancias diferentes. Si en esta reacción se desprende calor, significa que la energía química de los reactivos es mayor que la de los productos; si, por el contrario, tiene lugar una absorción de calor, será mayor la de los productos que la de los reactivos. Al igual que en el caso de la energía potencial gravitatoria, no es posible determinar el valor absoluto de la energía química de un compuesto: sólo pueden medirse sus variaciones. Debido a esto, se toma arbitrariamente como cero la energía química de los elementos en condiciones estándar (25 ºC de temperatura y 1 atmósfera de presión). Aquellas sustancias que, como el carbón o los hidrocarburos del petróleo, al arder desprenden energía química en forma de calor reciben el nombre de combustibles, denominándose poder calorífico de un combustible (PC) a la cantidad de calor liberado en la combustión de una cierta cantidad unitaria del mismo (normalmente se expresa en kcal/m3 en condiciones normales, o en kcal/kg). 2.6. Energía radiante Es la energía que se propaga en forma de ondas electromagnéticas, a la velocidad de 3•108 m/s. Parte de ella es calorífica, pero otra parte corresponde a microondas, luz visible (energía luminosa), rayos ultravioleta, etc. El Sol constituye la fuente principal de este tipo de energía. 2.7. Energía eléctrica Es la energía que posee la corriente eléctrica. No se trata de una energía primaria ni final, sino más bien de una forma intermedia de energía de gran utilidad a causa de las excepcionales características que posee: • Se transforma muy fácilmente, y sin producir apenas contaminación, en otros tipos de energía. • Es muy cómoda de utilizar. La cantidad de energía eléctrica consumida por un aparato receptor y transformada en otro tipo de energía viene dada por la expresión: Ee  V• I• t siendo V la tensión, I la intensidad de corriente y t el tiempo de funcionamiento.

Ejemplos Por un molinillo de café conectado a una red de 220 V circula una corriente de 0,7 A. ¿Cuánta energía eléctrica consume en 1 minuto? Solución: Ee  V• I• t  220 V• 0,7 A• 60 s  9 240 J.

ACTIVIDADES 1. ¿Qué diferencias existen entre energía interna, energía química y calor? ¿Puede decirse que un cuerpo almacena calor? 2. Menciona casos prácticos de la vida diaria en los que el calor se propague por conducción, por convección y por radiación. 3. ¿Cuáles son las razones por las que la energía eléctrica ha adquirido tanta importancia en la actualidad?

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UNIDAD 3. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA Según se ha visto en el párrafo anterior, la energía interna de un cuerpo o sistema, U, puede aumentar o disminuir, aportándole o extrayendo de él calor, Q, o por medio de trabajo mecánico, W, cumpliéndose siempre que:

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Q>0

Q0

W0 y

Q