Tema 1

CONCEPTOS PRELIMINARES Antes de iniciar el estudio de la energía vamos a entender que es la Tecnología y su relación con la Ciencia y la Técnica. La Ciencia: tiende a formular leyes generales y abstractas, empleando el método científico de investigación, para ello observa, experimenta, mide y describe. Los productos obtenidos son leyes, modelos, teorías, etc... La Tecnología: incorpora también el método científico en su diseño y desarrollo. Es un saber hacer, no un hacer. Los productos son proyectos. Hace uso de los conocimientos científicos de la ciencia. La Técnica: es el hacer, constituye la parte práctica de la Tecnología.

TEMA 1: “Energía, Trabajo y Calor” 1. Introducción

Par termoeléctrico

Electrolisis, recubrimientos

Lo que denominamos energía es algo que se presenta bajo múltiples facetas, dependiendo el medio en el cual se manifiesta. Por esta causa, cuando hablamos de energía térmica, nuclear, solar, eólica, cinética, potencial, eléctrica, luminosa… podemos deducir que existen diferentes energías, aunque realmente la energía siempre es la misma, lo que ocurre es que se puede presentar de formas variadas en el mundo físico que nos rodea; todas estas formas de manifestación forman globalmente lo que denominamos energía. Rayo, lámpara

LUMINOSA generador

Cel. fotoeléctrica

motor

Hornillo, estufa

Pilas, acumuladores

ELÉCTRICA

CALORÍFICA

MECÁNICA

QUÍMICA

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2. Concepto de energía

Se puede afirmar que desde el principio de los tiempos la búsqueda de la transformación de la energía en trabajo mecánico ha sido una de las constantes de la investigación. Durante tiempos sólo se disponía de la fuerza muscular, después algunos utensilios y herramientas como palancas, planos inclinados, ruedas,.., hicieron más fácil la realización de los trabajos. En Física se define la energía como “toda causa capaz de producir trabajo”. Trabajo entendido en el sentido físico del término, esto es, el producido por una fuerza cuando su punto de aplicación se desplaza. Cuando un sistema realiza un trabajo sobre otro, se transfiere energía entre los dos sistemas. 2.1.Unidades

La energía es la magnitud homogénea con el trabajo (con dimensiones ML2T-2) y se mide en las mismas unidades. La energía se manifiesta en la realización de un trabajo. El trabajo es por tanto la manifestación externa de la energía, es por esto llamado energía actuante, mientras que se llama energía interna a la que se halla latente en los cuerpos. TRABAJO ( W ) = FUERZA (F ) · ESPACIO (e) W=F·e Julio = 1 newton · 1 metro

Las unidades de energía más utilizadas en la actualidad son; Cegesimal (CGS) Ergio ( dina · cm)

Internacional (SI) Julio (N · m = W · s)

Técnico (ST) Kilográmetro (kp · m )

No hay que confundir trabajo con potencia que es la cantidad de trabajo que realiza una fuerza por unidad de tiempo POTENCIA ( P ) = TRABAJO (W ) / TIEMPO (t) P=W/t Vatio= 1 julio / 1 segundo

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En máquinas eléctricas y consumos eléctricos se emplea el Kwh (kilowatiohora) e indica el trabajo o energía producida o consumida por una máquina que tiene una potencia de 1 kw y está trabajando 1 h. Se deduce de la expresión:

ENERGÍA ( E ) = POTENCIA ( P ) · TIEMPO ( t ) E = P· t Kilovatioh = 1 kilovatio · 1 hora = 1000 vatios · 3.600 s = 3.600.000 J

Otra unidad se energía que se utiliza en relación con la energía térmica es la caloría (cal) , es la cantidad de calor necesaria para elevar 1º C la temperatura (para pasar de 14,5 a 15,5 ºC) un gramo de agua a presión atmosférica normal La equivalencia con el julio es; 1cal = 4,18 julios 2.2.Sistema de Unidades •

El Sistema Internacional de Unidades, abreviado SI, también denominado Sistema Internacional de Medidas, es el sistema de unidades más extensamente usado y es la forma actual del sistema métrico decimal. El SI también es conocido como sistema métrico, especialmente en las naciones en las que aún no se ha implantado para su uso cotidiano. Fue creado en 1960 por la Conferencia General de Pesos y Medidas, que inicialmente definió seis unidades físicas básicas

•

El sistema métrico decimal o simplemente sistema métrico es un sistema de unidades basado en el metro, en el cual los múltiplos y submúltiplos de una unidad de medida están relacionadas entre sí por múltiplos o submúltiplos de 10.

•

El Sistema Cegesimal de Unidades, también llamado Sistema CGS o Sistema Gaussiano, es un sistema de unidades basado en el centímetro, el gramo y el segundo. Su nombre deriva de las letras iniciales de estas tres unidades. Ha sido casi totalmente reemplazado por el Sistema Internacional de Unidades, aunque aún continúa en uso: muchas de las fórmulas de electromagnetismo son más simples en unidades CGS, una gran cantidad de libros de física las usan y, en muchas ocasiones, son más convenientes en un contexto en particular; el propio Sistema Internacional de Unidades reconoce este punto y por ello admite algunas unidades electromagnéticas del sistema CGS gaussiano. Las unidades CGS se emplean con frecuencia en astronomía. -3-

•

El sistema técnico de unidades es un sistema de unidades derivado del primitivo sistema métrico decimal. Una diferencia importante con otros sistemas del mismo origen, como el MKS o el CGS, es que las unidades fundamentales son fuerza F(kilopondio, a veces kilogramo-fuerza), distancia L (metro) y tiempo T (segundo); en vez de masa, distancia y tiempo, como sucede en los dos sistemas citados, y en el actual SI, sucesor del MKS. En el Sistema Técnico, la masa se mide en UTM = Unidad técnica de masa, siendo la UTM una unidad derivada de las fundamentales F L T, y definida como aquella masa a la que si se aplica una fuerza de 1kp, experimenta una aceleración de 1 m/s2. El trabajo físico se expresa en kilopondios x metro => kilopondímetros (a veces llamados 'kilográmetros'). Actualmente, el Sistema Técnico está en desuso. El sistema de unidades mas utilizado en la actualidad es el SI, pero el CGS aún se emplea en física y el sistema técnico es específico de la Tecnología.

Derivadas

Básicas

Unidades o Magnitudes

Fórmula

Sistema CGS

SI

ST

Equivalencias

Espacio= longitud

e

cm

m

m

1m= 100 cm

Masa

m

g

kg

utm

1 utm= 9,8 kg= 9.800 g

Tiempo

t

s

s

s

Velocidad

V= e/t

cm/s

m/s

m/s

Aceleración

A= e/t2

cm/s2

m/s2

m/s2

Fuerza

Trabajo= energía

v/t=

1 m/s= cm/s

100

F= m· a

Utm · m/s2= g· cm/s = Kg · m/s = kilopondio 1kp = 9,8 N = dina Newton (kilogramo9,8 · 105dinas fuerza)

W= F· a

1 kg· m= 9,8 J= Kg · m= 9,8 · 107erg kilográmetro 1J= 107erg

2

2

dina· cm= N · m= Julio ergio

Potencia

P= W/t

ergio/s

J/s = vatio

Otras equivalencias

1 CV =75 kg · m/s = 735 W

1W = 1J · 1s

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Kg · m/s

1kg/s = 9,8W= 9,8 · 107erg/s

1 cal = 4,18 J

1Kw = 1000W

1Wh = 3.600 J

1 J = 0,24 cal

3. Leyes y principios

Todas las conversiones de la energía vienen determinadas por dos leyes conocidas como Principios de la Termodinámica, que las limitan y que enunciadas de forma sencilla son: •

1ª Ley de la Termodinámica: la energía ni se crea ni se destruye, sólo puede transformarse de una de sus formas en otra. En otras palabras la energía total del Universo es constante. Se conoce también como Ley de Conservación de la Energía.

•

2ª Ley de la Termodinámica: la energía se degrada continuamente en energía térmica. Dicho de otro modo en cualquier conversión de energía nunca se puede obtener el 100% de eficacia, puesto que una parte se degrada indefectiblemente y se pierde en forma de calor.

Ambas leyes tienen consecuencias fundamentales sobre las transformaciones de la energía. En primer lugar la Ley de Conservación de la Energía nos dice que no puede obtenerse algo por nada; la cantidad de energía obtenida en un proceso no puede ser superior a la invertida. Nunca podemos diseñar y fabricar ningún ingenio humano que produzca más energía de la que consume. Por otro lado la 2ª Ley de la Termodinámica, nos indica que la calidad de la energía tiende siempre hacia una forma menos útil, lo que equivale a que el desorden en el Universo, tiende a crecer. Este desorden se asocia con un término físico denominado entropía. Esta tendencia al aumento de la entropía se manifiesta en que sin entradas de energía exteriores, los sistemas tienden hacia un mayor desorden, es decir, todos los sistemas tienden espontáneamente hacia la menor energía potencial, lo que implica abandonar calor hacia el exterior. Así, el agua siempre tiende a fluir ladera abajo, de forma natural. Resumiendo las leyes de la Termodinámica nos dicen que es imposible obtener más energía de la que hemos invertido en un cierto proceso, e incluso que la cantidad de energía obtenida es siempre menor que la invertida porque una parte se degradará en forma de calor. Es posible que alcancemos mayores rendimientos en la conversión pero nunca podrán ser del 100%.

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4. Formas de energía

La energía se manifiesta en formas muy diversas. Podemos clasificarlas de dos maneras, según la forma en la que se puede presentar y según la forma en que se pueden manifestar: 4.1. Se clasifican en tres grandes grupos las formas en que se puede

presentar la energía: •

Energía interna o microscópica.

•

Energía externa o macroscópica.

•

Energía en tránsito

4.1.1.Energía interna o microscópica radica en la estructura de la materia,

en la posición relativa de las partículas elementales en la estructura microscópica de la materia, fundamentalmente se trata de combustibles y energía química. Actualmente se están utilizando cada vez mas y se está obteniendo energía de los residuos urbanos (basuras ) y de los procesos químicos aplicados a la depuración de aguas residuales en los cuales se consigue, como subproducto de la reacción química un gas combustible que es transformado en electricidad.

4.1.2.Energía externa o macroscópica: depende de la posición y velocidad

macroscópicas y relativas de los cuerpos. Fundamentalmente son la energía potencial (hidráulica y mareas) y a energía cinética (olas, vientos y corrientes).

4.1.3.Energía en tránsito: en permanente degradación, está en forma de

trabajo, calor y luz.

4.2. Según la forma o el sistema físico en que se manifieste se consideran

siete formas distintas de energía: -6-

4.2.1.Energía mecánica, relacionada con el movimiento. Puede ser de dos

tipos, cinética o potencial La suma de ambas energías, cinética y potencial es la energía mecánica:

Energía mecánica = Energía cinética + Energía potencial 4.2.1.1.La energía cinética; EC está relacionada con la capacidad que tienen los cuerpos de producir trabajo debido a su masa y a la velocidad con la que se mueven. Viene expresada por; E cinética = ½ mv2 Donde; “m” es masa y “v” velocidad

Un cuerpo en movimiento no puede poseer la misma energía cinética en un punto de su trayectoria que al final de la misma. Podemos decir que la variación de energía cinética del cuerpo se ha utilizado en realizar un trabajo. La variación de la energía cinética vendrá dada por la expresión: E cinética (1) = ½ mv12

E C1

E cinética (2) = ½ mv22 El trabajo realizado (W) = E C1 - E C2 = E C

E C2

Es decir parte de la energía cinética se ha transformado en trabajo. 4.2.1.2.La energía potencial, está relacionada con la capacidad que tienen los

cuerpos de producir trabajo debido a la posición que ocupan (energía potencial gravitatoria) o a que se encuentren mas o menos deformados (energía potencial elástica). La energía potencial gravitatoria se calcula mediante la expresión: Ep= Peso · Altura = m · g · h Donde m es la masa del cuerpo, g la aceleración de la gravedad y h la altura del cuerpo con respecto al suelo. -7-

La energía potencial elástica de un muelle que se deforma viene dada por: Ep= ½ k · x2 donde k es la constante de elasticidad del muelle medida en N · m y x la longitud que se comprime o se tensa, medida en metros. Las energías externas o macroscópicas son fundamentalmente energías mecánicas. Un cuerpo puede tener energía cinética y energía potencial y estas serán distintas dependiendo de la velocidad del cuerpo respecto al sistema, pero siempre se cumplirá que la energía mecánica permanece constante, esto se denomina principio de conservación de la energía que nos dice que en un sistema aislado la suma de la E C y Ep es constante e igual a la energía mecánica del sistema. Energía mecánica = Energía cinética + Energía potencial. 4.2.2.Energía térmica; es la energía asociada a la producción o

desprendimiento de calor, podemos decir que la energía calorífica es aquella que se transfiere de un cuerpo a otro por diferencia de temperatura. Cuando una sustancia absorbe calor se produce un incremento de la energía molecular, esto conduce a un aumento de la temperatura que puede llevar a cambios de estado. La transferencia de energía calorífica o transmisión de calor es consecuencia del movimiento de los átomos y moléculas que forman la materia; se produce en tres formas: conducción, convección y radiación. •

Transmisión de calor por conducción: La conducción se realiza por contacto físico de los cuerpos; el de mayor temperatura cede calor al de menor temperatura, hasta que ambos tengan la misma. • Transmisión de calor por convección: suele darse en los fluidos, ya que estos al calentarse, disminuyen su densidad y pasan las moléculas calientes a ocupar la parte superior y las frías la inferior (del recipiente que lo contiene) Esta circulación recibe el nombre de convección.

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•

Transmisión de calor por radiación; cuando los cuerpos ceden energía calorífica en forma de ondas electromagnéticas; por ej. El sol emite radiaciones solares.

Para medir la cantidad de calor que tiene un cuerpo se utiliza como unidad la caloría, esta es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo masa de agua para aumentar su temperatura en 1ºC (de 14,5 ºC a 15,5 ºC) Podemos definir “Equivalente mecánico del calor” como el trabajo que hay que transformar en calor para que se produzca una caloría. 1 Julio = 0,24 calorías 1 caloría = 4,18 Julios 4.2.3.Energía química: Podemos definirla como la energía almacenada que

poseen los cuerpos (sólidos como el carbón, líquidos como el petróleo ó gaseosos como el gas natural). Por ejemplo, la madera o el carbón contienen una energía interna ó química que es liberada al producirse la combustión, a este fenómeno se le denomina reacción química. Todas las reacciones químicas llevan asociadas un cambio de energía manifestada preferentemente en forma de calor (Q). Estas reacciones con cambio de calor se denominan exotérmicas cuando van

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acompañadas de un desprendimiento de calor y endotérmicas cuando absorben calor. Otro tipo de reacción química es la que se produce en las pilas y baterías mediante las cuales se obtiene energía eléctrica. Se puede calcular la e. química conociendo el poder calorífico de las sustancias, para los gases: E= PC · V donde E es la energía en kcal, PC el poder calorífico en kcal/m3, V el volumen en m3

Para el resto de estados físicos: P= PC · m donde E es la energía en kcal, PC el poder calorífico en kcal/kg, m la masa en kg

4.2.4.Energía nuclear. Es la energía propia de la materia, ya que se obtiene

de ésta y, en concreto, de los núcleos atómicos. Se produce por reacciones de fisión (ruptura) o fusión (unión) y procede de la transformación de la masa en energía. Uno de los ejemplos más comunes de este tipo de energía es la que se origina en el Sol. En él se están produciendo, constantemente, reacciones nucleares de fusión. Otro ejemplo son las centrales nucleares, en las que al final de un proceso de fisión de átomos se obtiene energía eléctrica. Las cantidades de energía que pueden obtenerse mediante reacciones nucleares superan con mucho a las que pueden lograrse mediante procesos químicos. Para hacernos una idea la fisión de un kg de uranio 235 libera aproximadamente 19 millones de kvatios en una hora. Einstein demostró que la materia se puede transformar en energía por la siguiente igualdad: E=m.c2 E = energía producida en julios m = masa que desaparece en kg

c = velocidad de la luz (3.108 m/s)

4.2.5.Energía eléctrica. Es la energía que proporciona la corriente eléctrica.

Se define como el paso de electrones a través de un conductor eléctrico. Se trata de una energía de transmisión, es decir; no es primaria ni final. Sus grandes cualidades son que permite una fácil transformación en otro tipo de energía y una gran comodidad, al poder disponer de energía en innumerables lugares. - 10 -

Generalmente proviene de centrales eléctricas, en las que gracias a potentes alternadores obtenemos esta energía. La cantidad de energía que transforma un aparato es igual a: E=Pt E= V I t P = Potencia eléctrica (Vatio [W]) V= Voltaje (voltios) t = tiempo (segundos) I = intensidad de corriente (amperios) Unidades: julios (j) = Vatios (W) segundo (s) = Voltios (V) amperios (A) segundo (s)

4.2.6.Energía radiante o electromagnética: Es la energía que transportan

las ondas electromagnéticas (luz visible, rayos infrarrojos, ondas de radio, radiaciones ultravioletas…). La energía que nos llega del sol, es energía electromagnética, el Sol es el principal proveedor de este tipo de energía. Las ondas electromagnéticas se caracterizan por dos parámetros principales, la frecuencia y la longitud de onda. Si las ordenamos de menor a mayor frecuencia obtenemos el espectro electromagnético, ondas de radio, microondas, espectro infrarrojo, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma.

4.2.7.Energía sonora: Surge de la vibración mecánica. El sonido es

cualquier variación de la presión en el aire que pueda ser detectado por el oído humano.

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5. Transformaciones energéticas. Rendimiento.

En teoría todas las formas de energía son susceptibles de ser transformadas en otras, pero en la práctica, no todas las transformaciones son posibles. Recordemos el segundo principio de la Termodinámica; “La energía se degrada continuamente en energía térmica. Dicho de otro modo en cualquier conversión de energía nunca se puede obtener el 100% de eficacia, puesto que una parte se degrada indefectiblemente y se pierde en forma de calor”. Este principio introduce un nuevo concepto, el rendimiento, η, de una transformación, que viene dado por la expresión; η = Trabajo realizado o energía absorbida/energía utilizada

La energía absorbida es la energía útil que se emplea en realizar un trabajo mecánico, la energía utilizada es la energía total, es decir, la útil más la que se pierde en forma de calor.

Algunos procesos en los que tiene lugar estas transformaciones de energía son:

E. mecánica: - eléctrica (generadores de corriente continua y alterna. - calorífica (rozamiento en las máquinas) E. eléctrica: - mecánica (motores eléctricos) - 12 -

-química (acumuladores, baterías de los coches) -calorífica (resistencias eléctrica, bombilla) - radiante (tubos fluorescentes) E. química:

-eléctrica (pilas, acumuladores) - térmica (combustibles fósiles) -radiante (explosión de un petardo) - mecánica (alimentos)

E. calorífica - mecánica (en centrales térmicas el vapor mueve turbinas) - eléctrica (convertidores termoeléctricos) - química (termólisis, ruptura de moléculas por calor) E. radiante

- calorífica (los rayos del sol calientan) - eléctrica (células solares) - química (fotosíntesis)

E. nuclear: se transforma en térmica y esta en eléctrica.

6. Fuentes de energía

Las fuentes de energía son recursos naturales a partir de los cuales, mediante un proceso de transformación, es posible obtener alguna forma de energía necesaria para el funcionamiento de las industrias y los transportes y para el uso domestico. La cantidad disponible de estas fuentes se denomina recurso energético. Las podemos clasificar por: a. Su capacidad de renovación

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Fuente de energía no renovable: tienen un potencial inagotable, que la naturaleza regenera con rapidez.

NT1 - Fuente de energía no renovable. NT2 - Recursos de combustibles. NT3 - Recursos carboníferos. NT3 - Recursos de gas. NT2 - Energía nuclear. NT2 - Recursos petrolíferos.

Fuente de energía renovable: se encuentran en una cantidad limitada y se agotan con su utilización.

NT1 - Fuente de energía renovable. NT2 - Biogás. NT2 - Energía de la biomasa. NT2 - Energía hidroeléctrica. NT3 - Energía de las mareas. NT2 - Energía solar. NT2 - Energía del vapor. NT2 - Energía térmica. NT3 - Energía geotérmica. NT2 - Energía eólica.

7. kjbjPrinciìos de la tenmodinamica

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