Tema 8. Producción de energía
8.1 Fuentes de energía
8.1.1 La energía específica y la densidad de energía de las fuentes de combustible
8.1.2 Los diagramas de Sankey
8.1.3 Las fuentes de energía primaria
8.1.4 La electricidad como forma de energía secundaria y versátil
8.1.5 Las fuentes de energía renovables y no renovables
Tipos d
e ener
gía
Primaria
Energía presente en la naturaleza y que no ha sido sometida a ningún proceso antopogénicoSecundaria
Energía procesada a partir de fuentes de energía primariaClasificación de las fuentes de energía de
Fuentes de energía primarias
Energía almacenada en los combustibles fósiles
Energía solar
Tipos d
e ener
gía
No renovables
se encuentran en la naturaleza en una cantidad limitada y una vez consumidas en
su totalidad, no pueden sustituirse. Se generan más lentamente de lo que son
gastadas
Renovables
se producen de forma continua y son inagotables a escala humana.Clasificación de las fuentes de energía de
acuerdo a su duración en el tiempo
Fuentes de energía renovables
El sol es la fuente de energía fundamental para la energía mundial
(fotosíntesis)
Ejemplos de energía renovable:
Hidráulica
Solar
Eólica
Energía de las olas y mareas
Geotérmica
Ejemplos de energía no renovable:
Carbón
Petróleo
Gas natural
Residuos, biocombustibles
Nuclear
Petróleo; 32
Gas natural; 21
Carbón vegetal; 27
Nuclear; 6
Hidroeléctrica; 2
Biocombustibles; 10
Otras; 2
PORCENTAJE DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN EL
MUNDO
70
50
90
Petróleo
Gas natural
Carbón
Emisión de dióxido de carbono por unidad de
energía producida
Tipos de combustibles
𝑔 ∙ 𝑀𝐽−1
𝑔 ∙ 𝑀𝐽−1
Elementos
cuantitativos en la
elección de un
combustible
Energía
específica
Cantidad de energía que
puede extraerse de la
unidad de masa de
combustible
𝐸
𝑠=
𝑄
𝑚
Densidad de
energía
Cantidad de energía que
puede extraerse de la unidad
de volumen de un
combustible
𝐸
𝐷=
𝑄
𝑉
Segunda ley de la termodinámica
No es posible que el calor fluya desde un
cuerpo frío hacia un cuerpo mas caliente, sin
necesidad de producir ningún trabajo que
genere este flujo. La energía no fluye
espontáneamente desde un objeto a baja
temperatura, hacia otro objeto a mas alta
temperatura.
Diagramas de Sankey
•
Representaciones
gráficas
de:
caudales
(cantidad/tiempo),
de
energía,
materia,
dinero… que se mueven en un sistema.
•
Permiten conocer las cantidades de energía
que ingresan al sistema, cómo se distribuyen
en él, qué cantidad real de las mencionadas
se utilizó, etc.
•
La anchura de la flecha representa la potencia
o energía involucrada en cada etapa.
•
La energía degradada se muestra con una
flecha hacia arriba o hacia abajo.
11 Energía que entra al sistema Energía no útil o degradada Energía útil
12
Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.
Diagrama de Sankey,
representando el
flujo de energía en
una planta eléctrica
típica
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 13
IB Physics Course Companion. Oxford
Diagrama de Sankey,
representando la
conversión de la
energía química del
petróleo en energía
cinética de un auto y
calor.
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 14
Physics for the IB Diploma. Cambridge
Esquema de una
máquina de vapor.
Diagrama de Sankey
(a la derecha).
El
ancho de las flechas
es proporcional a la
energía que fluye
Modos de producir energía eléctrica
Combustibles
fósiles
Combustible
nuclear
Energía eólica
Energía
hidráulica
Energía cinética
de rotación
Generador
Energía eléctrica
Energía solar
(celdas
fotovoltaicas)
Producción de energía a partir de combustibles fósiles
Energía solar • Proceso de fotosíntesis Energía química de las plantas • Proceso de compresión Energía química en combustibles fósiles • Proceso de combustión Energía térmica Energía cinética delvapor de agua Energía cinética de
las turbinas
La energía eléctrica puede producirse:
a) haciendo girar bobinas en campos magnéticos.
b) directamente con células fotovoltaicas.
Para hacer girar a las bobinas se emplea generalmente:
a) vapor de agua
b) agua
c) viento
Para convertir agua líquida en vapor de agua se utiliza la
energía térmica producida normalmente:
a) por combustión
b) por fisión
c) por exposición al sol
Modos de producir energía
Producción de energía a partir de combustibles
fósiles
Combustibles fósiles
El Carbón
El Petróleo
El Gas natural
aquellos que proceden de la biomasa producida hace millones
de años que pasó por procesos de transformación hasta la
IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.
DENSIDADES DE ENERGÍA (MJ kg-1)
Carbón (22-33) Petróleo (42) Gas natural (54)
Producción de energía a partir de combustibles fósiles
VENTAJAS DESVENTAJAS
Alta densidad de energía Los productos de la combustión producen contaminación y lluvia ácida Fácil transporte Emiten gases invernadero
Precio No renovable
Construcción de centrales en puntos con buenas
comunicaciones y agua disponible
La extracción y transporte producen daños
medioambientales
Uso doméstico directo Es necesario gran cantidad de combustible
Modos de producir energía
Producción de energía a partir de combustibles no
fósiles
Producción de energía a partir de combustibles
no fósiles
Energía nuclear.
Energía solar.
Energía hidráulica.
Energía eólica.
Energía nuclear. Ideas previas
• La masa real del núcleo es inferior a la suma de las masas
de su protones y neutrones. Esta diferencia se denomina
defecto de masa:
• ∆ m = Z m
p+ (A-Z) m
n– M
La energía equivalente a este defecto de masa es:
E = ∆ m c
2Energía nuclear. FISIÓN
División de un núcleo pesado en dos núcleos más ligeros.
En el proceso se libera energía.
92 235
𝑈 +
0 1𝑛 →
92 236𝑈 →
3692𝐾𝑟 +
14156𝐾𝑟 + 3 ∙
01𝑛 +Energía
El núcleo inestable U236 se fisiona en dos fragmentos (núcleos de números atómicos comprendidos entre 30 y 63 y números másicos comprendidos entre 72 y 162), nuevos neutrones y liberándose energía.(Hahn y Strassmann, 1938)
Energía ca. 200 MeV por núcleo
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 28
Física 2º Bto. McGraw-Hill
Energía nuclear. FISIÓN
Reacción en cadena: En el proceso de fisión se liberan neutrones que
hacen posible la fisión de nuevos núcleos. Estos liberan, a su vez,
nuevos neutrones y así sucesivamente.
Si un neutrón de cada fisión produce otra fisión, la reacción se mantiene y
se libera energía de manera continua.
En un REACTOR NUCLEAR, la reacción en cadena se regula mediante barras
de control (B, Cd) que absorben neutrones.
http://iesdmjac.educa.aragon.es/PortalFQ/anima/ChainReaction.exe
Si no se elimina el exceso de neutrones con capacidad para producir fisión,
se produce una reacción en cadena descontrolada a gran velocidad, que es
una BOMBA ATÓMICA.
http://www.atomicarchive.com/
Para que los neutrones no escapen y puedan ser atrapados por los
núcleos de uranio-235, debe haber una cantidad suficiente de
material fisionable. A esta cantidad mínima, necesaria para
mantener la reacción en cadena, se la denomina
MASA CRÍTICA
.
El uranio natural contiene solamente un 0,7% de uranio-235, el
resto es uranio-238. Los reactores suelen utilizar uranio
enriquecido al 3,5% del 235. La fabricación de bombas atómicas
exige concentrar el uranio 235 por encima del 85%.
http://es.wikipedia.org/wiki/Enriquecimiento_de_uranio
Physics for the IB Diploma. Cambridge
Sólo los neutrones de baja energía favorecen la fisión nuclear. En general
los neutrones producidos por la fisión son más rápidos y hay que frenarlos
para que puedan seguir produciendo fisiones. Para ello se utiliza el
moderador
(agua, agua pesada D
2O, berilio y grafito)
IB Physics Course Companion. Oxford
Principales transformaciones de energía que tienen lugar en una central nuclear
Central nuclear de Ascó (Tarragona) Foto: Photochex. El mundo.es
Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.
Energía nuclear. FISIÓN
DENSIDADES DE ENERGÍA (MJ kg-1)
Física 2º Bto. McGraw-Hill
Physics for the IB Diploma. Cambridge
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 36
Physics for the IB Diploma. Cambridge
Energía nuclear. FISIÓN
VENTAJAS DESVENTAJAS
Altísima densidad de energía Problemas extracción y transporte de uranio Reservas más duraderas que
las de petróleo
Problemas con los residuos nucleares
No emiten gases invernadero Posibilidad de utilización de un programa de energía nuclear para la fabricación de
armas de destrucción masiva
Energía nuclear. FUSIÓN
es.wikipedia.org
Educarchile.cl Eltelescopioderaukowordpress.com
Energía nuclear. FUSIÓN
http://www.iter.org/
http://es.wikipedia.org/wiki/ITER
Para lograr la fusión es necesario calentar este plasma a temperaturas del orden de 10 8 K y conseguir que alcance una
densidad del orden de 10 20 partículas /m3. Hay que confinar el
plasma en un recipiente sin paredes, pues ningún material soportaría esas temperaturas. Se investiga en dos alternativas: confinamiento magnético y confinamiento inercial.
El deuterio se obtendría del agua del mar y el tritio se obtiene al bombardear litio con neutrones.
Los reactores de fusión presentarán menos problemas con los residuos radiactivos que los de fisión y serán más seguros.
Energía hidroeléctrica
La fuente de la energía hidroeléctrica es la
energía
potencial gravitatoria
de una masa de agua.
Al caer desde una cierta altura, se transforma en
energía cinética
que es capaz de mover las turbinas
que generan
la energía eléctrica
.
Physics for the IB Diploma. Cambridge
Diferentes modelos hidroeléctricos se basan en:
1) Almacenamiento de agua en lagos y embalses.
2) Almacenamiento de agua de mareas.
3) Almacenamiento por bombeo.
Almacenamiento del agua en lagos y embalses
Renovables-energia.com
Presa de El Grado. (Huesca)
Almacenamiento por bombeo
Repasa con esquemas. Física Bachillerato. Oxford educacion
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 46
VENTAJAS DESVENTAJAS
Producción muy limpia Sólo utilizable en determinadas áreas
Renovable Costes sociales
Fuente de energía “libre” Costes medioambientales
Energía eólica
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 47
El origen de esta fuente de energía es el Sol.
Diferentes partes de la atmósfera son
calentadas a distintas temperaturas.
Las diferencias de temperaturas causan
diferencias de presión debido a que el aire
caliente asciende y el aire frío desciende. Así
se genera un flujo de aire, el viento.
Los generadores accionados por turbinas de
viento (“molinos de viento”), se llaman
aerogeneradores
. Estos se agrupan en
parques
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 48
Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 49
Potencia de un aerogenerador
Potencia de un aerogenerador
Energía solar
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 52
Report-fotografia.com
Energía solar
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 53
VENTAJAS DESVENTAJAS
Producción muy limpia Sólo utilizable de día
Renovable No siempre disponible (nuboso)
Fuente de energía “libre” Baja densidad de energía. Se necesita una gran área para conseguir una
cantidad significante de energía Altos costes iniciales para la instalación
4.2. Energía solar
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 54
VENTAJAS DESVENTAJAS
Producción muy limpia Sólo utilizable de día
Renovable No siempre disponible (nuboso)
Fuente de energía “libre” Baja densidad de energía. Se necesita una gran área para conseguir una
cantidad significante de energía Altos costes iniciales para la instalación
Tema 8. Producción de energía
8.2 Transferencia de energía térmica
8.2.1 Conducción, convección y radiación térmica
8.2.2 Radiación del cuerpo negro
8.2.3 Albedo y emisividad
8.2.4 La constante solar
8.2.5 El efecto invernadero
Definición de
calor
(Q)
Energía transferida entre cuerpos que tienen
diferentes temperaturas
En el sistema internacional de unidades, SI, el calor
se expresa en [J]: joules o julios
Posibles causas:
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 61
Variaciones en la composición de gases invernadero en la atmósfera
Posibles causas:
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 62
atinachile.cl
Posibles causas:
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 63
Manchas solares. foro.meteored.com
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 64
Posibles causas:
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 65
Skepticalscience.com
• Se aprecia una fuerte
correlación entre los
niveles de 𝐶𝑂
2y las
temperaturas globales.
• Los niveles de 𝐶𝑂
2se
elevan a su nivel más alto
en los últimos 500 000
años.
• Algo diferente, puede estar
por ocurrir en la Tierra.
Emisividad (e)
Relación de la potencia por unidad de área irradiada por
el cuerpo y la potencia por unidad de área irradiada por
un cuerpo negro a la misma temperatura.
Ley de Stefan-Boltzmann
La potencia irradiada por un cuerpo depende de su
área superficial A, de la temperatura absoluta de la
superficie T y de su naturaleza (emisividad)
𝑃 = 𝑒 ∙ 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ 𝑇
4
𝑘 = 5.67 ∙ 10
−8
W ∙ 𝑚
−2
∙ 𝐾
−4
Ley de Stefan-Boltzmann
La potencia irradiada por un cuerpo depende de su
área superficial A, de la temperatura absoluta de la
superficie T y de su naturaleza (emisividad)
𝑃 = 𝑒 ∙ 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ 𝑇
4
− 𝑇
𝑎
4
𝑘 = 5.67 ∙ 10
−8
W ∙ 𝑚
−2
∙ 𝐾
−4
La energía radiada por un cuerpo es electromagnética y se
distribuye en un rango infinito de longitudes de onda.
Ley de Wien
La máxima energía es irradiada a una longitud de onda específica
(𝜆
𝑚𝑎𝑥
), que depende de la temperatura del cuerpo (T)
La misma temperatura y
tres emisividades distintas
Constante solar
El Sol emite una potencia de 3,9 ∙ 10
26𝑊
La distancia media entre el Sol y la Tierra es 1,5 ∙ 10
11𝑚
La constante solar se denota como S y es la
intensidad de radiación solar que llega a la parte
externa de la atmósfera terrestre.
16/01/2018 ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO 75
La luminosidad del sol es P = 3,9 . 10
26W.
Esta energía se distribuye uniformemente sobre la
superficie de una esfera imaginaria de r = 1,50 . 10
11m.
(Distancia Sol-Tierra).
La
constante solar
es la cantidad de energía solar que
llega por segundo a un área de 1 m
2de la atmósfera
terrestre con los rayos del sol perpendiculares.
I = P/4 π r
2= 3,9 . 10
26W/ 4 π (1,50 . 10
11m)
2= 1380
W m
-2, redondeada a
1400 W m
-2.
Puede variar ± 1,5% según la emisión del sol y ± 4% por
la variación de la distancia Tierra-Sol (órbita elíptica).
Albedo (𝑎)
Fracción de potencia disipada por el cuerpo en
comparación con la potencia incidente.
Superficie
Albedo
Cuerpo negro
0
Carbón
0,04
Nieve
0,85
Planeta Tierra
0,30
Desierto
0,3-0,4
Energía solar media que recibe la Tierra
𝐼
𝑎𝑣
=
1 − 0,3 ∙ 1400
4
𝐼
𝑎𝑣
= 245 𝑊 ∙ 𝑚
Balance de energía
𝐼 = 245 𝑊 ∙ 𝑚
−2
𝑃 = 𝑒 ∙ 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ 𝑇
4
− 𝑇
𝑎
4
𝐼 = 𝑘 ∙ 𝑇
4
𝑃 = 1 ∙ 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ 𝑇
4
− 0
4
245
= 5.67 ∙ 10
−8
∙ 𝑇
4
𝑇 = 256 𝐾 = −17°
𝐶
Efecto invernadero es el calentamiento de la Tierra causado por la radiación
infrarroja, emitida por la superficie de la Tierra, que es absorbida por varios gases
en la atmósfera de la Tierra y luego se vuelve a irradiar en parte hacia la superficie.
Los gases principalmente. Los responsables de esta absorción se llaman gases de
efecto invernadero son agua vapor, dióxido de carbono, metano y óxido de
No influye en el calentamiento global Le faltan algunas
