Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Energia 01

214 views

Published on

  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Energia 01

  1. 1. 1 .12345678910111213141516171819202122232425262728La energía:Conceptos básicosEstimado lector,en este primer fascículode Relatos sobre energíatrataremos de presentartede manera simple losprincipios de la energía.Cabe citar aquí las palabras deAlbert Einstein (1879-1955),—quien por cierto publicó en1905 su teoría de la relatividadespecial— tomadas del prólogode la obra The Universe and Dr.Einstein,de Lincoln Barnett:“Quien haya intentado algunavez presentar una idea abstractade una manera asequible algran público,sabe las grandesdificultades que encierra talempeño,porque o bien lograhacerse comprender soslayandoel fondo del problema ypresentando al lector sólo losaspectos superficiales o alusionesvagas,con lo cual éste se engañaal creer ilusoriamente que lo hacomprendido,o presenta unadetallada exposición del mismoen términos tales que el lector noacostumbrado es incapaz de seguirel razonamiento y no se siente conánimos de proseguir la lectura”.Figura 1.1 Albert Einstein(Fuente:Pintura de Bruni Sablan)
  2. 2. 1 .22345678910111213141516171819202122232425262728¿Qué es la energía?La palabra“energía”es tan comúnen nuestros días que ha pasadoa ser un término muy familiar.Dentro de las áreas físicas elconcepto de energía puedeconsiderarse viejo o reciente,según se le quiera mirar,puesdesde su concepción ha sufridocambios tan fundamentales,quesus creadores seguramente nose reconocerían en su versiónactual.1 En 1807,Thomas Young(1773-1829) fue el primeroen asignar una connotacióncientífica al término“energía”,concibiéndola como la capacidadpara realizar un trabajo.Cuantomayor es el trabajo que se debellevar a cabo,mayor es la energíanecesaria.Si se posee mayorcantidad de energía,puederealizarse más trabajo.Sólo conenergía se puede realizar trabajo.Se puede decir que la energía yla materia constituyen los doscomponentes básicos del planetay el Universo,donde la materiacorresponde a todo lo que nosrodea,y la energía es el factor queprovoca los cambios físicos de lamateria.1  Energía,De la Peña.Para pensar,hablar,comer yescribir se requiere de energía.También,para que se desplaceun automóvil,en la caída de unapiedra,en el movimiento del aguay para muchas otras acciones.La palabra“energía”provienedel griego,energeia,derivada deergon (obra),y significa fuerza enacción,la capacidad para obrar oproducir un efecto.
  3. 3. 1 .32345678910111213141516171819202122232425262728La energíay sus comienzosHoy en día,el hombre utilizadiversos tipos de energía parasus actividades cotidianas,perono fue siempre así.Basta conremontarnos un poco a la historiay hacer un breve recuento delas actividades del hombre y suevolución.Desde que existe comoorganismo viviente,el hombreaprovechó la energía,no sólocomo una opción energética sinocomo fuente de vida.En un principio el ser humanousaba su energía muscular,la de los animales,del agua ydel viento para proveerse dealimentos,fabricar herramientasFigura 1.2 La energía y el hombre(Fuente:<http://biblioteca.redescolar.ilce.edu.mx/sites/colibri/cuentos/arte1/htm/sec_3.htm>)Antes de la máquina de vapor,los grandesesfuerzos se hacían a puro músculo,utilizandola fuerza de las personas o de los animales.rudimentarias y trasladarse de unlugar a otro.Luego aprendióa usar el fuego para obtener calory luz por las noches,usó el fuegopara fabricar herramientas ycocinar sus alimentos.A medida que el hombreevolucionó,se encargó deconstruir molinos de viento y,así,con la ayuda de la energíadel viento logró aumentar lacapacidad de trabajo de losagricultores.La invención de lapólvora impulsó la extraccióny uso del carbón como otrafuente energética para tratarel hierro que hoy en formade acero,resulta el materialmás significativo de nuestracivilización al utilizarse,porejemplo,en la construcciónde los grandes edificios.
  4. 4. 1 .42345678910111213141516171819202122232425262728Con las mejoras que realizó,en1769 y 1784,el escocés JamesWatt (1736-1819) a la máquinade vapor,se pasó del viejomundo rural al de las ciudades,del trabajo manual al de lamáquina,aumentando el uso delcarbón como fuente de energíadando inicio a una época degran actividad industrial y dedesplazamientos de personasy mercancías que ha sidodenominada como la RevoluciónIndustrial.Esta revolución impulsó eldesarrollo de la Termodinámicay estimuló la investigación denuevas formas de energía; surgióla energía eléctrica,comenzóla utilización del petróleo2 y delgas natural como fuentes deenergía y estos dos combustiblesjunto con la electricidad dieronimpulso a una serie de inventosque cambiaron la vida en elmundo entero:el automóvil,eltelégrafo,el teléfono,la radio,elcine,los aviones,la televisión,losartefactos electrodomésticos,los cohetes,satélites decomunicaciones,computadorasy prácticamente toda la nuevatecnología que conocemos.2  En otro tiempo, los árabes y los hebreos empleaban el petróleo con fines medicinales. EnMéxico los antiguos pobladores lo emplearon como impermeabilizante para embarcaciones.No obstante,antes de la segunda mitad del siglo XVIII las aplicaciones que se le daban al petró-leo eran muy pocas.Figura 1.3 Evolución del uso de energía(Fuente:<http://biblioteca.redescolar.ilce.edu.mx/sites/colibri/cuentos/arte1/htm/sec_3.htm>)
  5. 5. 1 .52345678910111213141516171819202122232425262728Concepto de energíaLa energía es una propiedad de todo cuerpo o sistema material en virtudde la cual éste puede transformarse,modificando su estado o posición,asícomo actuar sobre otros,originando en ellos procesos de transformación.La energía puede tener distintos orígenes y dependiendo de ellos se ledenomina de una forma u otra:Figura 1.4 Esquema general de la energía(Fuente: <http://www.grupoblascabrera.org/energia/esquener.htm>)Energía cinética:Asociada al movimiento de los cuerpos.Energía potencial:Asociada a la configuración de un sistema.Energía interna:Asociada a la temperatura de los cuerpos.Energía química:Asociada a la composición del cuerpo.Energía nuclear:Asociada a los procesos de fusión (unión de núcleos)o fisión (ruptura de núcleos) que tienen lugar en el interior de losátomos.Fuentes de energía
  6. 6. 1 .62345678910111213141516171819202122232425262728La famosa fórmula de relación masa-energía que publicó Einstein hace unpoco más de 100 años.E = mc²En donde:E = Energía en Ergios o Joules.m = masa transformada en gramos o kgc = velocidad de la luz ≈ 3 x 108 m/segDicha equivalencia entre masa y energíafue demostrada en el laboratorio en elaño 1932,y dio lugar a impresionantesaplicaciones concretas en el campo dela física (tanto la fisión nuclear como lafusión termonuclear son procesos en losque una parte de la masa de los átomosse transforma en energía).Relación masa - energíaLas transformaciones queexperimentan la materia y lasrelaciones en el estudio de lamasa y la energía,están regidaspor las siguientes leyes:a) Ley de la conservaciónde la masa:Esta ley fue anunciadapor Antoine-Laurent Lavoisier(1743-1794) a fines del sigloXVIII y dice:“En toda reacciónquímica la masa se conserva; estoes,la masa total de los reactivoses igual a la masa total de losproductos”.Lavoisier puso de manifiesto que,si tenemos en cuenta todas lassustancias que forman parte enuna reacción química y todoslos productos formados,la masanunca varía.b) Ley de la conservaciónde la energía:Anunciada porMayer,3 establece que:“La energíano puede ser creada ni destruida,pero es susceptible de sertransformada”.Es decir la cantidad de energíaque existe en el universo es unacantidad constante.3  Julius Robert von Mayer (1814 -1878) estableció, en 1842, la ley de conservación y transfor-mación de la energía, que se constituyó en principio de capital importancia, no sólo en su as-pecto gnoseológico (teoría del conocimiento), sino también por sus implicaciones en el propiodesarrollo del conocimiento de los fenómenos físicos ofreciendo la clave para los avances de loque algunos autores llaman“la segunda etapa de las Ciencias Físicas”,basada en la aplicación delos principios de conservación. Dicha ley se conoce en la actualidad como la primera ley de latermodinámica y define la energía interna de un sistema.Figura 1.5 Equivalencia entre masa-energía(Fuente:<http://www.poster.de/Einstein-Albert/Einstein-Albert-E-Mc2-9903274.html>)
  7. 7. 1 .72345678910111213141516171819202122232425262728Fuentes de energíaPara obtener energía se tendráque partir de algún cuerpo que latenga y pueda experimentar unatransformación para ceder algunafracción.A estos cuerpos se lesllama fuentes de energía.A la energía obtenida por lasfuentes de energía encontradasen la naturaleza se denominacomo energía primaria y sedividen en dos grandes grupos:renovables y no renovables.Lascantidades disponibles de energíade estas fuentes,es lo que seconoce como recurso energético.Nuestro planeta posee grandescantidades de energía primaria;sin embargo,uno de losproblemas más importantes escómo transformarla en energíautilizable para los consumidores;como la electricidad,el alcohol,el diesel,la gasolina,etcétera.La energía obtenida de latransformación de la entregadapor las fuentes de energía,sedenomina energía secundaria.Un aspecto importante a tratares conocer cuáles son las fuentesque usamos para aprovechar suenergía y cuáles son sus ventajase inconvenientes,así como sudisponibilidad y utilidad.c) Ley de la conservaciónde la masa-energía: Esta ley sebasa en la Teoría de la relatividadespecial propuesta por Einstein en1905 y prueba que las dos leyesde conservación de la masa y de laenergía,se unen en un solo principio.También,se considera que la masa,cuando presenta una velocidadcercana a la luz,crece y el aumentoes directamente proporcional a laenergía cinética,por lo que la masase considera como una forma deenergía almacenada.“La cantidad de masa - energía(materia) existente en el Universo,es constante”.Esta ley puede aplicarse a cualquiersistema,sin embargo cambiosapreciables en la masa sólo ocurrenen las reacciones nucleares queintervienen en las partículassubatómicas a velocidades cercanasa la de la luz.• Térmica• Fotovoltaica•Residuos• CultivosPetróleo Carbón Gas Nuclear Geotérmica Solar Eólica Biomasa HidráulicaNo renovable RenovablesFuentes de energíaExisten en una cantidadlimitada en la naturalezaExisen en un cantidadprácticamente ilimitada en la naturalezaFigura 1.6 Mapa conceptual de fuentes de energía(Fuente:<http://www.aven.es/energia/>)
  8. 8. 1 .82345678910111213141516171819202122232425262728Fuentes de energíarenovableSon aquellas que se producen deforma continua,que su tasa deconsumo es menor a su tasa degeneración y son inagotables aescala humana.Nuestra principalfuente de energía renovable es laenergía que nos llega del Sol.Energía solarEs la que produce el Sol y esinterceptada por la Tierra.Ladirecta es aquella que nos llegaen línea recta del disco solar y la“indirecta”la que llega dispersadapor la atmósfera terrestre.Es la“directa”que se usa para secarropa e iluminación de recintos,entre otras.La energía del Sol seconvierte en energía“térmica”cuando su aprovechamiento selogra por el calentamiento dealgún medio:la calefacción deviviendas,refrigeración y secado,entre otras.También se puedeconvertir la luz en electricidad,sinpasar por un efecto térmico,pormedio de las celdas solares,queno tienen partes móviles.Energía eólicaEs la que produce el viento.Se suele utilizar en los veleros,en la generación eléctrica,enla molienda de granos y en elbombeo de agua.La energíaeólica deriva de la solar,ya queuna parte de los movimientos delviento se debe al calentamientoque produce el Sol en diferenteszonas de la atmósfera.La imagen muestra la duración que tendría cadafuente de energía,suponiendo que ella sola cubriesetodas las necesidades energéticas de nuestracivilización,que las reservas probadas se mantuvieranconstantes y que dichas necesidades energéticas semantuvieran al nivel actual de consumo.Figura 1.7 Duración de los recursos energéticos(Fuente:<http://www.aven.es/energia/>)Energía solar5 000 millones de añosFusión nuclearUn millón de añosUranio con reactoresreproductores1 000 añosCarbón330 añosPetróleo30 años
  9. 9. 1 .92345678910111213141516171819202122232425262728Energía hidráulicaEs la que se obtiene de la caídade agua desde cierta altura a unnivel inferior.Esta la podemosaprovechar para provocar elmovimiento de ruedas hidráulicaso turbinas.La hidroelectricidades un recurso disponible en laszonas que presentan suficientecantidad de agua.Su desarrollorequiere construir presas,canalesde derivación,la instalación deturbinas y equipamiento paragenerar electricidad.Las turbinaspueden ser micro,pequeñas,medianas o de gran tamaño.Energía geotérmicaEs la energía contenida en lasreservas térmicas de agua calientey vapor formadas bajo tierra.Esta energía está concentradaparticularmente en las regionesvolcánicas y se aprovecha paragenerar electricidad (en plantasgeotermoeléctricas) e igualmentepara servicios de calefacción yagua caliente.Energía de la biomasaLa energía de la biomasa es lacontenida en cualquier masaviva o en sus productos oresiduos,y proviene en últimainstancia del Sol.Mediante lafotosíntesis el reino vegetalabsorbe y almacena una partede la energía solar que llega ala Tierra; las células vegetalesutilizan la radiación solar paraformar sustancias orgánicas apartir de sustancias simples ydel CO2presente en el aire.Sepuede utilizar directamentepor medio de la combustión ya través de procesos químicos,como:gasificación,licuefacción opirólisis.También,el reino animalincorpora,transforma y modificadicha energía.Figura 1.8 Definición de biomasa(Fuente: <http://www.monografias.com/trabajos47/bloques-combustibles/bloques-combustibles2.shtml>)
  10. 10. 1 .102345678910111213141516171819202122232425262728Fuentes de energíano renovableLas energías no renovables sonaquellas que se encuentranen el subsuelo y cuya tasa deconsumo es mayor que su tasade generación:a medida que seva consumiendo,se va agotando.Por ejemplo,un barril de petróleotardó miles de años en producirsey se puede consumir en minutos.Fuentes de energía fósilLa forma de energía que poseenlos combustibles fósiles esenergía química,que podemosaprovechar a partir de lasreacciones de combustión.Sepuede transformar en lo quehabitualmente se denominaenergía térmica,energía eléctrica,energía cinética (a través de losmotores de combustión interna),etcétera.Es utilizada en multitudde aplicaciones domésticas eindustriales.La energía fósil laconstituyen:• Petróleo y sus derivadosEl petróleo está compuestopor una gran variedad dehidrocarburos líquidos quese mezclan con una granvariedad de impurezas.Poruna serie de procesos,comopuede ser la destilación,se obtienen sus derivados:gasolinas,diesel y turbosina,entre otras.• Gas naturalEl metano es el principalcomponente de este recurso.Se encuentra en formagaseosa,tanto en yacimientospetroleros como en propios.• Carbón mineralSu componente principal esel carbono,que se encuentraen los grandes yacimientosdel subsuelo.A nivel mundial,este recurso es abundante.Elproblema del carbón es quecausa demasiados problemasecológicos,incluso más que elpetróleo y sus derivados.Energía nuclearSe obtiene de la modificación delos núcleos de algunos átomos,muy pesados o muy ligeros.Enlas reacciones nucleares se liberauna gran cantidad de energíadebido a que parte de la masade las partículas involucradasen el proceso,se transformadirectamente en energía,comovimos con anterioridad.Existen dos tipos de energíanuclear:• Fisión:Ésta consiste en ladesintegración de átomospesados para obtener otrosmás ligeros.Es la energíaasociada al uso del uranio.• Fusión:Es la reacción en laque dos núcleos muy ligeros(hidrógeno) se unen paraformar un núcleo más pesadoy estable (helio),con grandesprendimiento de energía;como el proceso que se da enel Sol.
  11. 11. 1 .112345678910111213141516171819202122232425262728Algunas de las unidadespara medir la energíaTanto para la energía comopara el trabajo y el calor,quepueden ser descritos comoenergía en tránsito,se empleala misma unidad en el SistemaInternacional de unidades (SI):el joule (J),definido como eltrabajo realizado por la fuerza de1 newton cuando se desplaza supunto de aplicación 1 metro.1 J = 1 Newton-metro = 1 kg-m2/seg21 GJ (gigajoule) = 109 J1 TJ (terajoule) = 1012 J1 PJ (petajoule) = 1015 JEn la física del estado sólido seutiliza como unidad de energíaeléctrica el electrónvolt (eV),definido como la energía queadquiere un electrón al pasar deun punto a otro entre los que hayuna diferencia de potencial de 1volt.Su relación con la unidad deenergía del SI es:1 eV = 1.602 x 10-19 JJ. Watt se refirió a la potencia deuna máquina como el trabajoque puede realizar por unidad detiempo:1 W = 1 J/sPara la energía eléctrica se empleacomo unidad de producción elkilowatt-hora (kWh) definidocomo el trabajo realizado duranteuna hora por una máquina quetiene una potencia de 1 kilowatt.1 kWh = 3.6 x 106 JPara el calor se emplea también unaunidad denominada caloría (cal)4que se define como «la energía(calor) necesaria para elevar latemperatura en un grado centígradoa la masa de 1 gramo de agua pura».1 cal = 4.186 JPara poder evaluar la calidadenergética de los distintoscombustibles se establecen unasunidades basadas en el podercalorífico de cada uno de ellos.Las más utilizadas en economíaenergética son kcal/kg,tec y tep.• kcal/kg,aplicada a uncombustible,nos indica elnúmero de kilocalorías queobtendríamos en la combustiónde 1 kg de ese combustible.• tec (toneladas equivalentes decarbón).Representa la energíaliberada por la combustión de 1tonelada de carbón (hulla).1 tec = 29.3 x 109 J• tep (tonelada equivalente depetróleo).Equivale a la energíaliberada en la combustión de 1tonelada de crudo de petróleode ciertas característicasespecíficas.1 tep = 41.84 x 109 J1 tep = 7.4 barriles de crudo en energíaprimaria1 tep = 7.8 barriles de consumo final total1 Mtep (millones de toneladas equivalentesde petróleo) = 41.868 PJEntre el tep y el tec existe laequivalencia:1 tep = 1.428 tec4  El físico inglés James Prescott Joule (1818-1889), con sus cuidadosos experimentos, realiza-dos en la década de 1840, confirmaron que el calor no se conservaba. A través de medicionescada vez más precisas, demostró que el trabajo mecánico podía convertirse cuantitativamen-te en calor.Nació así la noción de equivalencia mecánica del calor,es decir,la idea de que el calory el trabajo eran mutuamente interconvertibles.Esperamos que este breve relato sobreLa energía: conceptos básicos te hayagustado.En las referencias que siguenpodrás encontrar mayor informaciónsobre este fascinante tema.
  12. 12. 1 .122345678910111213141516171819202122232425262728ReferenciasBarnett,Lincoln.The Universe and Dr.Einstein.Mentor Books,1958.De la Peña,Luis.Energía.Centro de Investigaciones Interdisciplinarias en Ciencias y Humanidades.unam,México,1998.Césarman,Eduardo.Orden y Caos.México,Ediciones Gernika,2ª.Ed.,1986.Hacyan,Shahen.Relatividad para principiantes,(Capítulo V.Materia y Energía).México,Fondo de Cultura Económica,Quinta reimpresión,1996.Disponible [en línea]:<http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/078/htm/sec_8.htm> [Junio,2005]Martínez,Manuel,editor.Curso de Planificación Energética 1989.México,Publicado por la Comisión EconómicaEuropea,Instituto de Investigaciones en Materiales,unam e Instituto de Investigaciones Económicas,unam,1990.Postigo,Luis.El mundo de la energía. Barcelona,Editorial Ramón Sopena,1975.Reynolds,William C.Termodinámica.Madrid,Ediciones del Castillo,1967.Rius de Riepen,Magdalena y Castro-Acuña,Carlos Mauricio.Calor y Movimiento,(Capítulo III.Calor y Trabajo).México,Fondo de Cultura Económica,Segunda edición,1995.Disponible [en línea]:<http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/085/htm/sec_7.htm> [Junio,2005]Sánchez,Ana María,Trigueros,María y Tagüeña,Julia.Energía,historias de la ciencia y la técnica.México,unam,1999.Wilson,Mitchell.Energía.Ámsterdam,Libros de Time-Life (Colección Científica),1980.Fuentes electrónicas sobre energía<http://www.inicia.es/de/csla/energia.htm#tema47><http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo1.html>Para escuchar el audio de este capítulo consulte <http://www.energiauacm.org.mx/fasciculos.html>

×