Tema 5.
Tema 5.
La energía y sus La energía y sus transformaciones.
transformaciones.
Tecnología.
Tecnología.
3º ESO.
3º ESO.
Tema 5. La Energía y sus transformaciones.
1. Introducción.
La energía es la fuerza vital de nuestra sociedad. De ella dependen la iluminación de interiores y exteriores, el calentamiento y refrigeración de nuestras casas, el transporte de personas y mercancías, la obtención de alimento y su preparación, el funcionamiento de las fábricas, etc.
Hace poco más de un siglo las principales fuentes de energía eran la fuerza de los animales y la de los hombres y el calor obtenido al quemar la madera. El ingenio humano también había desarrollado algunas máquinas con las que aprovechaba la fuerza hidráulica para moler los cereales o preparar el hierro en las ferrerías, o la fuerza del viento en los barcos de vela o los molinos de viento.
Pero la gran revolución vino con la máquina de vapor, y desde entonces, el gran desarrollo de la industria y la tecnología han cambiado, drásticamente, las fuentes de energía que mueven la moderna sociedad.
2. Concepto de Energía.
La energía se puede entender como la posibilidad que tiene un cuerpo de producir algún cambio, acción o efecto en sí mismo o sobre otro cuerpo. La energía interviene en todos los cambios que ocurren en el Universo, y se precisa para calentar, iluminar, deformar, mover, y para que la vida sea posible.
Se llama energía a la capacidad que tiene un cuerpo de producir algún tipo de cambio en sí mismo o en otro cuerpo. Ahora bien, para que ocurra ese cambio, la energía que acumula un
cuerpo debe ser liberada, o transferida a otro cuerpo. Hay dos formas de transferir la energía entre los cuerpos, o dicho de otra forma, que la energía produce dos tipos de acciones o cambios sobre los cuerpos: en forma de trabajo y / o calor.
El concepto de trabajo puede entenderse desde un punto de vista técnico, pues energía es lo que se necesita para que funcionen las máquinas. Las máquinas tienen elementos que se mueven. Para conseguir esos movimientos necesitamos desarrollar fuerzas. En una grúa, por ejemplo, hay fuerzas que sirven para mover pesos. Para que funcione una grúa, habrá que alimentarla con energía.
El concepto de calor se entiende fácilmente cuando se intenta a calentar algo. Por ejemplo cuando ponemos agua en una cafetera para hacer un café, necesitaremos suministrarle energía o el agua no hervirá.
Esa energía se la suministra el fuego que ponemos debajo. Además, el calor aparece en casi todas las trasferencias o transformaciones de energía como un efecto indeseado, que provoca degradaciones y pérdidas de energía.
En resumen, la energía es la capacidad que tienen los cuerpos para producir algún efecto, mediante la realización de un trabajo o la transferencia de calor. La energía es ese “algo” que fluye de aquí para allá entre los cuerpos, de forma que cuando se transfiere de un cuerpo a otro, se producen cambios en ellos (movimiento, calor, luz, reacciones químicas, cambio de estado, etc.)
3. Clasificación de la Energía.
Como ya hemos visto en el apartado anterior, los cuerpos poseen energía. Ahora bien, la energía que contienen los cuerpos puede manifestarse de formas muy diversas. Atendiendo a cómo se manifiestan, las energías se clasifican en:
Energía química que se manifiesta en una reacción química, es decir, la energía almacenada en los enlaces químicos que mantienen unidos los átomos y moléculas de la materia. Dicha energía se libera al reaccionar dos o más productos químicos para formar otro distinto. Por ejemplo, en las pilas la electricidad se produce por una reacción química. En todos los procesos en
los que se necesita una combustión, también se está produciendo una reacción química.
Energía térmica o calorífica. Se trata de la energía presente en un cuerpo debido a su temperatura y se manifiesta en un flujo de calor. El calor es un flujo de energía entre dos cuerpos.
Siempre que tenemos dos cuerpos a distinta temperatura que no estén aislados, el calor fluirá del que tienen más temperatura al que tiene menos.
Existen tres formas de transferencia del calor entre los cuerpos: conducción, convección y radiación.
Energía eléctrica Energía asociada al movimiento de cargas eléctricas. La energía eléctrica es la que acciona los receptores de los circuitos eléctricos. Esa energía proviene de los generadores y en los receptores se transforma en algo útil.
Energía nuclear. Se trata de la energía presente en los núcleos de los átomos de la materia y se manifiesta en una reacción nuclear.
◦ Se llama energía nuclear de fisión a la energía obtenida por ruptura de núcleos pesados en otros núcleos más ligeros. Cuando esto sucede se libera una gran cantidad de
energía que puede usarse para mover un generador eléctrico, por ejemplo.
◦ Se llama energía nuclear de fusión a la energía obtenida cuando núcleos ligeros, se unen para formar un núcleo más pesado.
Energía mecánica que se manifiesta en el movimiento o posición de masas.
◦ Se llama Energía cinética a la energía que posee un cuerpo por el hecho de estar en movimiento. Por ejemplo un coche es una masa en movimiento.
◦ Se llama Energía potencial a la energía de un cuerpo debido a su posición dentro de un campo de fuerzas. Por ejemplo un paracaidista.
Se cumple que la energía mecánica es la suma de la energía cinética más la energía potencial.
Energía radiante o electromagnética. Es la energía presente en las ondas electromagnéticas y las radiaciones (luz, ondas de radio, rayos-X, microondas, infrarrojos, ultravioleta, etc.). La característica principal de esta energía es que se puede propagar en el vacío, sin necesidad de
soporte material alguno. Un caso particular es la energía luminosa, que es la energía contenida en la luz solar.
4. Transformaciones energéticas.
Los cuerpos poseen energía en formas muy diversas. Pues bien, la energía se encuentra en constante transformación. Todas las formas de energía son convertibles, pasando de unas formas a otras.
Ejemplos:
Al arder la madera, la energía química de la misma se transforma en térmica y luminosa.
Al girar las aspas de un aerogenerador, la energía mecánica del viento se transforma en energía eléctrica.
Cuando se usa la energía ésta se transforma de un tipo en otro, por tanto no se gasta. Pero no todos los tipos de energía son igualmente aprovechables. En la mayor parte de los casos el problema es el calor, pues parte de la energía que usamos para hacer funcionar las cosas se transforma en calor y se pierde. Es fácil transformar cualquier tipo de energía en calor, pero al revés es difícil.
Por ejemplo, la energía eléctrica se transforma en movimiento y calor en un motor, pero ese calor que produce es muy difícil de utilizar.
A veces, el efecto térmico es el buscado (por ejemplo en calefacción), pero en la gran mayoría de las veces, la pérdida de energía en forma de calor es lo que hace bajar el rendimiento de las máquinas. Incluso cuando buscamos el calor, podemos tener pérdidas.
Por ejemplo, en una calefacción de gasoil, no toda la energía se transforma en calor dentro de la casa, una parte muy importante se va por la chimenea con el humo. Hay un tipo de centrales eléctricas llamadas de ciclo combinado en las que se intenta aprovechar el calor que se va con los gases de combustión para obtener energía eléctrica. Gracias a ello, son centrales de alto rendimiento.
5. Recursos energéticos y fuentes de energías.
Las sociedades actuales requieren de grandes cantidades de energía para realizar todas sus actividades cotidianas: transporte, calefacción, obtención de electricidad para iluminación, máquinas, electrodomésticos, etc.
Pero... ¿de dónde sale toda esta energía? Pues esa energía sale de nuestro propio planeta y del sol. La energía está presente en la naturaleza por todas partes. Se llama recurso energético al conjunto de medios con los que los países del mundo intentan cubrir sus necesidades energéticas. Son recursos energéticos:
Los combustibles fósiles de los que se obtiene energía química.
El uranio, del que se obtiene energía nuclear.
Radiaciones solares, de las que se obtiene energía solar.
El viento, rico en energía eólica.
Embalses de agua, aprovechables en energía hidráulica.
Mareas y olas, en energía mareomotriz.
Calor interior de la Tierra, la llamada energía geotérmica.
Biomasa, de la que se extrae energía química.
Sin embargo, uno de los problemas más importantes para el ser humano es conocer la forma de aprovechar dicha energía y transformarla en energía útil.
Una fuente de energía es por tanto, todo aquel material o fenómeno de la naturaleza a partir del cual se puede obtener energía útil para ser aprovechada.
Las distintas fuentes de energía se pueden clasificar de diferentes maneras:
1. Dependiendo de su posibilidad de regeneración:
1. Fuentes de energía renovables: Son las fuentes de energía que se regeneran a un ritmo igual o mayor al que se consumen.
2. Fuentes de energía no renovables: Se consumen a un ritmo más elevado al que se producen, y terminarán agotándose.
2. En función del impacto ambiental que generen:
1. Fuentes de energía limpias.
2. Fuentes de energía contaminantes.
3. En función de su grado de desarrollo en la sociedad:
1. Fuentes convencionales: son las que llevan más tiempo explotándose, las
“tradicionales” (carbón, petróleo, gas, energía nuclear y energía hidráulica).
2. Fuentes alternativas: son las que aún están en estudio y desarrollo, por lo que su capacidad energética aún no es demasiado alta (energía eólica, solar, geotérmica, etc.)
En la siguiente tabla se exponen las fuentes de energía, con sus ventajas e inconvenientes:
Fuente de energía Características Ventajas Inconvenientes.
Combustibles Fósiles Es una energía asociada al uso del carbón, gas natural y petróleo.
Es energía química que aprovechamos a partir de reacciones de combustión.
La energía química se transforma en energía térmica (calefacción), eléctrica y cinética
Fáciles de extraer.
Presentan una tecnología bien desarrollada.
A partir de ellos, se obtienen otras muchas materias, como el caso del petróleo.
No son renovables.
Su transporte es caro y de alto riesgo.
Difíciles de almacenar.
Son perjudiciales para el medio ambiente,
ocasionando efectos como el invernadero o la lluvia
(mediante motores).
Se usa para consumo doméstico, automoción y aplicaciones industriales.
ácida.
Energía nuclear de fisión
Asociada a la energía contenida en el núcleo de Uranio.
Sobre todo se usa para ser transformada en energía eléctrica en las centrales nucleares.
Presenta una tecnología bien desarrollada
Está considerada como una energía de gran
productividad, es decir con muy poco Uranio se obtiene mucha energía.
No produce CO2
No !!br0ken!!
Alto riesgo de
contaminación en caso de accidente.
La extracción y purificación del uranio produce gran impacto y residuos.
La obtención de energía produce residuos radiactivos, con su problemática de almacenaje ya que son peligrosos a corto y largo plazo.
Alto coste de las
instalaciones y alto coste de mantenimiento.
Alto coste en la desmantelación de las centrales.
A veces esta energía se usa no con fines pacíficos.
Energía nuclear de fusión.
Dos núcleos pequeños o ligeros se unen para formar uno más pesado y estable.
En esa unión se libera gran cantidad de energía cuando se vencen las fuerzas de repulsión electrostáticas.
Es un proceso muy similar a la energía emitida por las estrellas
Se desprenden grandes cantidades de energías en relación a la cantidad de materia implicada.
Sería una fuente de energía ilimitada
Tecnológicamente, está en investigación y desarrollo, pues deben darse condiciones de muy elevadas temperaturas durante el tiempo suficiente para que ocurra la fisión.
Es una reacción difícil de controlar.
Si produce residuos, aún no se sabe si sus efectos son o no peligrosos.
Energía hidráulica. Asociada a los saltos de agua de ríos y embalses.
Es energía potencial que se transforma en energía mecánica en los molinos de
No contamina.
Tecnológicamente, está bien desarrollada.
Difícil de explotar en años de sequía.
Capacidad limitada de embalses y pantanos.
agua, y en energía eléctrica en las centrales
hidroeléctricas.
Renovable. Produce diferentes impactos ambientales, como el descenso del caudal de ríos, disminuye el nivel de oxígeno de las aguas, puede cambiar el curso natural de ríos, puede alterar la flora y fauna.
Riesgos por rotura de la presa.
Energía eólica El viento es energía cinética que se transforma en energía mecánica en los barcos de vela molinos de viento tradicionales y en electricidad en los aerogeneradores.
No contamina.
Tecnológicamente bien desarrollada.
Actualmente empieza a ser competitiva.
Intermitencias en los vientos.
Produce gran impacto ambiental y visual.
Dificultad de almacenaje.
Sólo es rentable en puntos estratégicos ( de mucho viento)
Energía solar Es la energía asociada a las radiaciones solares.
Las radiaciones se transforman en energía térmica y energía eléctrica mediante sistemas fotovoltaicos o termo-solares.
No contamina.
Empiezan a ser competitivas.
No tienen el mismo rendimiento, según el tiempo de irradiación ( días nublados, días más cortos en inviernos…)
Sólo es efectiva en algunos puntos del planeta En los polos no)
Necesita de grandes superficies para su rendimiento a gran escala.
Tecnología aún en desarrollo Dificultad de almacenaje.
Biomasa Está asociada la la energía de la materia orgánica, como son los residuos agrícolas, forestales, urbanos, cultivos destinados a la biomasa…
La biomasa es energía química presente en los recursos sólidos (leña, semillas, cáscaras…), líquidos (bioalcohol,
Es una forma de eliminar y reciclar los residuos.
Se aprovechan y explotan terrenos que no son muy buenos para el cultivos.
Se necesitan grandes extensiones de terreno para cultivo.
Tecnología en vías de desarrollo.
biogasoil…), y gaseosos (Biogás)
La energía química se transforma en energía térmica y/o energía eléctrica., para uso doméstico, automoción y producción de electricidad.
Energía geotérmica Energía asociada al vapor de agua que sale por la superficie de la tierra, sobre todo por zonas volcánicas.
Se usa como energía térmica y a veces se transforma en eléctrica.
Existen dos tipos de yacimientos: de alta temperatura (100º-400º se transforma en electricidad), y de baja temperatura (50º-100º para uso sanitario y calefacción)
No contamina.
No depende de la climatología.
La de baja temperatura está muy extendida por distintas zonas del planeta.
Tecnología aún por desarrollar.
La de alta temperatura se encuentra en puntos del planeta muy localizados.
6. Funcionamiento de una central eléctrica.
Junto con los combustibles fósiles (que son de vital importancia para los transportes), la electricidad es un recurso energético indispensable para el funcionamiento de las sociedades industrializadas como la nuestra. Si lo pensamos, casi todos los aparatos y dispositivos que empleamos de forma cotidiana funcionan con electricidad (electrodomésticos, la iluminación de las casas y las ciudades, los ordenadores, los ascensores, las máquinas de las fábricas, los sistemas de comunicación -teléfono y televisión-, etc.).
La electricidad en la forma de energía más empleada en la actualidad debido a una serie de características que la hacen muy útil:
Al contrario que el calor, la energía eléctrica se puede transformar fácilmente en otras formas de energía.
Se puede transportar a grandes distancias (mediante las redes de transporte y distribución eléctricas).
Se puede obtener de fuentes muy diversas (combustibles fósiles, luz solar, viento, saltos de agua, etc.).
Las centrales eléctricas se clasifican de diferentes maneras:
1. Atendiendo a la fuente de energía que utilizan para producir la electricidad:
◦ Centrales hidroeléctricas
◦ Centrales térmicas
◦ Centrales nucleares.
◦ Centrales eólicas.
◦ Centrales termo-solares.
◦ Centrales fotovoltaicas.
En las centrales fotovoltaicas la energía solar se transforma directamente en energía eléctrica.
En las centrales hidroeléctricas y eólicas, la energía potencial del agua y cinética del viento, primero se transforma en mecánica que provoca el movimiento de una turbina que se encuentra en el seno de un campo magnético que la transforma en electricidad.
En el resto de centrales, la transformación es:
El calor generado al quemar el combustible (carbón, petróleo) se emplea para calentar agua en una caldera, que se transforma en vapor a alta presión.
Este vapor de agua se dirige hacia unas turbinas y las hace girar, debido a su empuje.
Un alternador o generador, el aparato capaz de producir
electricidad, está acoplado a las turbinas, de manera que a medida que estas giran, se produce la energía eléctrica.
El generador está conectado a un transformador que eleva la tensión de la corriente eléctrica para que se distribuya por los tendidos eléctricos.
2. Otra forma de clasificar las centrales es:
1. No renovables: centrales que emplean fuentes energéticas no renovables, básicamente combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas), y combustibles nucleares (uranio, plutonio, etc.).
2. Renovables: centrales que emplean fuentes de energía renovables. Se trata de las centrales solares, hidroeléctricas, eólicas, mareo-motrices, etc.
3. Otra clasificación se puede realizar en función del grado de desarrollo e implantación de la tecnología empleada para producir la electricidad:
1. Centrales convencionales: son las centrales con un mayor grado de desarrollo, y que más tiempo llevan implantadas. Producen la mayor parte de la energía eléctrica, y son las centrales térmicas (de carbón, petróleo o gas), las centrales nucleares y las grandes centrales hidroeléctricas.
2. Centrales alternativas: son centrales cuyo grado implantación es menor, ya que utilizan fuentes energéticas y tecnologías poco desarrolladas. Sin embargo, son centrales limpias y emplean recursos renovables. Se trata de las centrales solares, fotovoltaicas, eólicas, geotérmicas, mareo-motrices, etc.
Actividades
1. ¿Qué tipos de energías se manifiestan o almacenan en los siguientes objetos o fenómenos?
a) tren en movimiento b) rayo
c) trueno d) chocolatina e) pájaro volando f) corriente eléctrica g) relámpago
h) agua en una presa
i) agua que corre en un río j) agua hirviendo
k) madera
l) núcleo de un átomo m) carbón
n) viento o) sol
2. ¿Qué dice el “Principio de Conservación de la Energía”?
3. Explica la transformación de energía que se produce en los siguientes ejemplos:
a) prendemos una barbacoa b) ponemos el coche en marcha
c) usamos una calculadora solar d) estufa eléctrica
e) bombilla f) estufa de gas g) altavoz h) pila
i) placa solar para calentar agua.
j) Micrófono.
k) Motor eléctrico.
l) Fuegos artificiales m) Carbón en una caldera.
4. Explica la diferencia que existe entre “ Recurso Energético” y “Fuente de Energía”. Pon dos ejemplos que lo ilustren con claridad
5. Di si es verdadero o falso; si es falso, vuelve a escribir la frase de forma que sea correcta.
a) En general, existen dos tipos de fuentes de energía: los materiales (como los combustibles) y el agua.
b) El gas se considera una fuente de energía.
c) El sol es una fuente de energía renovable, no convencional y no contaminante.
d) La gasolina se considera una fuente de energía renovable y contaminante.
e) Todas las fuentes de energía contaminan en mayor o menor medida.
6. Explica por qué la energía eléctrica es la más utilizada en la actualidad.
7. Indica el nombre de una máquina que realice las siguietes coversiones:
a) de energía luminosa a térmica.
b) De energía química a mecánica.
c) De energía eléctrica a mecánica.
d) De energía eléctrica a térmica.
8. Clasifica las siguientes fuentes de energía según sean renovables o no renovables:
a) Solar b) Geotérmica c) Nuclear.
d) Hidráulica.
e) Combustibles fósiles.
f) Biomasa g) Energía eólica.
11. ¿Cómo funciona la central térmica?
12. ¿Cuál es el impacto ambiental de la central térmica?
