ENERGÍA

@miguetecnologiaDepartamento de Tecnología

DefiniciónENERGÍA

La energía es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. Es decir, la energía es la capacidad de hacer funcionar las cosas.

Principio de conservación

El Principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras.

AntecedentesENERGÍA

Breve Introducción histórica

AntecedentesENERGÍA

Desde la antigüedad se ha aprovechado la energía que existe en la naturaleza. El descubrimiento del fuego permitió cocinar los alimentos o construir nuevas herramientas; mientras que la energía del agua o el viento, se aprovechó para hacer funcionar molinos o barcos de vela.

AntecedentesENERGÍA

En el siglo XVIII James Watt revolucionó extraordinariamente el uso de la energía de forma controlada con el desarrollo de la máquina de vapor.

Llega la Revolución Industrial

AntecedentesENERGÍA

La transición a la energía eléctrica junto con el uso del petróleo fueron el catalizador del desarrollo la sociedad actual.

La disponibilidad de energía, es hoy, es un factor que nos define el grado de desarrollo de un

país.

Formas de manifestarse la

energía

ENERGÍA

La energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras.

Recuerda!ENERGÍA

Manifestaciones de la energía

La energía se manifiesta en la naturaleza de distintas formas. Las principales son las siguientes :

ENERGÍAManifestaciones de la energía

1. Energía mecánica

2. Energía eléctrica

3. Energía térmica

4. Energía electromagnética

5. Energía nuclear

6. Energía química

ENERGÍAManifestaciones de la energía

1. Energía mecánica

La energía mecánica es la energía relacionada con el movimiento o la posición que un cuerpo ocupa respecto a otro (generalmente la tierra). Un ejemplo de este tipo de energía es el que mueve el vagón de las montañas rusas.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

1. Energía mecánica

La energía mecánica, se puede manifestar de dos formas

diferentes:

Energía Cinética Energía Potencial

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía mecánica: Energía cinética

La energía cinética es la energía que tiene un cuerpo debido a su movimiento. De forma matemática se puede expresar como:

Ec=1/2·m·v2

Donde m representa la masa del objeto y v la velocidad a la que se desplaza

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía mecánica: Energía cinética

Ejemplo: Un vagón de 100 kg que se mueve a una velocidad de 20 m/s, posee una energía cinética

EC = ½ · m · v2

EC = ½ · 100 · (20 m/s)2

EC = ½ · 100 · (20 m/s)2 = 20·103 J

Datos:

m = 100 kg

v = 20 m/s

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía mecánica: Energía cinética

W = Ecf- Eci

Toda partícula con una velocidad determinada puede realizar un trabajo, pero sólo lo realiza cuando pierde parte de su energía cinética, siendo el trabajo realizado igual a la energía cinética perdida.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía mecánica: Energía potencial

Es la energía que se puede almacenar durante un determinado periodo de tiempo. Puede ser de dos tipos: energía potencial gravitatoria y energía potencia elástica

Potencial gravitatoria

Potencial elástica

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía mecánica: Energía potencial gravitatoria

La energía potencial gravitatoria es la energía que posee un cuerpo en virtud de su posición o estado. De forma matemática se puede expresar como:

Ep=m·g·hDonde m representa la masa del objeto y g la aceleración de la gravedad (9’8 m/s2) y h la altura en metros.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía mecánica: Energía potencial gravitatoria

Ejemplo: Un vagón de 100 kg que se encuentra a una altura de 15 m posee una energía potencial de:

Ep = m · g · h

Ep = 100 kg · 9’8m/ss · 15 m

Ep = 100 kg · 9’8m/ss · 15 m = 14’7·103 J

Datos:

m = 100 kg

h = 15 m

g = 9’8 m/s2

Manifestaciones de la energía

Energía mecánica: Energía potencial elástica

La energía potencial elástica es la energía que puede almacenar un cuerpo cuando experimenta o sufre una deformación. De forma matemática se puede expresar como:

Donde k es la constante elástica (N/m) y x la deformación del objeto en metros.

ENERGÍA

También conocida como Ley de Hooke.

Ee= ½ · k ·x2

Manifestaciones de la energía

Energía mecánica: Energía potencial elástica

Ejemplo: Un muelle con una constante de deformación de 150 N/m que sufre una deformación de 20 cm posee una energía potencial elástica de:

Ee = ½ · k · x2

Ee= ½ · 150 N/m · (0’2 m)2

Ee = ½ · 150 N/m · (0’2 m)2 = 3 J

Datos:

k = 150 N/m

x = 20 cm

ENERGÍA

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía mecánica

La energía mecánica equivale a la suma de la energía potencial y de la energía cinética.

Em= Ep + Ec

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía mecánica (problema del departamento de Tecnologia del IES Villalba Hervás )

ENERGÍAManifestaciones de la energía

1. Energía mecánica

2. Energía eléctrica

3. Energía térmica

4. Energía electromagnética

5. Energía nuclear

6. Energía química

ENERGÍAManifestaciones de la energía

2. Energía eléctrica

Es la energía que proporciona la corriente eléctrica. Se trata de una energía de transporte. Generalmente se transforma y procede de otro tipo de energía, por ejemplo la energía mecánica.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

2. Energía eléctrica

Este tipo de energía es muy utilizada en la actualidad por la facilidad y seguridad de su transporte. Se obtiene en las centrales eléctricas a partir de otras fuentes de energía (carbón, petróleo, uranio, etc.)

Ee = P · tEe = V · I · tEe = I2 ·R · t

Donde P es la potencia eléctrica en vatios, t tiempo en segundos, V voltaje en voltios, I intensidad en amperios y R resistencia en ohmios

ENERGÍAManifestaciones de la energía

2. Energía eléctrica

Cuando hablamos de energía eléctrica es muy usual utilizar el KWh (kilovatio hora) como unidad en lugar del Julio.

P es la potencia eléctrica se mide en W, t en lugar de segundos se realiza en horas:

1 h = 60 min = 3’6·103 seg.1 kW = 103 W

1 kWh = 3’6 · 106 J

ENERGÍAManifestaciones de la energía

2. Energía eléctricaEjemplo: La energía eléctrica consumida en un circuito por el que circulan 3A conectado durante 3h a una fuente de alimentación de 12V será:

Ee = P · t = (V · I) · t

Ee = (12V · 3A) · 3h

Ee = (12V · 3A) · 3h = 108Wh = 0,108 kWh

Datos:

V = 12 V

I = 3 A

t = 3h

ENERGÍAManifestaciones de la energía

1. Energía mecánica

2. Energía eléctrica

3. Energía térmica

4. Energía electromagnética

5. Energía nuclear

6. Energía química

ENERGÍAManifestaciones de la energía

3. Energía térmica

La energía térmica o calorífica es la energía asociada a la transferencia de calor de un cuerpo a otro.

Las moléculas de los cuerpos están en movimiento continuo, y cuanto mayor sea este movimiento (la velocidad de las moléculas que lo componen), mayor será su energía térmica.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

2. Energía térmica El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible. A esta temperatura el nivel de energía interna del sistema es el más bajo posible, por lo que las partículas, según la mecánica clásica, carecen de movimiento. El cero absoluto sirve de punto de partida para la escala de Kelvin. Así, 0 K = −273,15 °C

El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible. A esta temperatura el nivel de energía interna del sistema es el más bajo posible, por lo que las partículas, según la mecánica clásica, carecen de movimiento. El cero absoluto sirve de punto de partida para la escala de Kelvin. Así, 0 K = −273,15 °C

Se define la caloría como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua pura en 1 °C (desde 14,5 °C a 15,5 °C), a una presión normal de una atmósfera.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

3. Energía térmica

Una caloría (cal) equivale a 4,1868

julios(J)

Aunque la unidad de energía en el SI es el julio, la CALORÍA es la unidad empleada cuando hablamos de este tipo de energía.

Aunque la unidad de energía en el SI es el julio, la CALORÍA es la unidad empleada cuando hablamos de este tipo de energía.

ENERGÍAManifestaciones de la energía3. Energía térmica

Podemos definir el calor cedido o absorbido por un cuerpo frente a una variación de temperatura ∆T como:

Q = m · Ce ·(T2-T1)Donde Q es el calor medido en calorías, m la masa del objeto medida en gramos y T1 y T2, temperaturas inicial y final respectivamente

Acumulación de energía térmica en los cuerposAcumulación de energía térmica en los cuerpos

ENERGÍAManifestaciones de la energía3. Energía térmica

Todos los materiales no absorben o ceden calor del mismo modo, pues unos materiales absorben el calor con mayor facilidad que otros. Ese factor depende delllamado calor específico del material Ce. Cada material tiene su propio calor específico.

Ejemplo, para que un gramo de cobre suba su temperatura un grado debe absorber 0’092 cal.

Material Ce

Acero Inox. 0’220

Agua líquida 1

Aluminio 0’212

Cobre 0,092

Hierro 0’105

Hormigón 0’210

Madera 0’116

Vidrio 0’184Ce, medido en Kcal/(kg·ºC)

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía térmicaEjemplo: Calcular el calor cedido por el agua de una bañera con un volumen de 200l que pasa de los 36ºC iniciales a 25ºC e

Datos:

m= 200kg*T1=36ºCT2=25ºCCe =1kcal/(kg·ºC)

*densidad del agua 1kg/l

Q = m · Ce ·(T2-T1)

Q = 200kg · 1kcal/(kg·ºC) ·(25ºC-36ºC)

Q = -2.200 kcal

En dos cuerpos con diferente temperatura, la energía térmica pasará del que tenga mayor temperatura al que tenga menor en forma de calor.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

3. Energía térmica

El calor se intercambia de un cuerpo a otro de tres formas distintas:

•Conducción•Convección•Radiación

El calor se intercambia de un cuerpo a otro de tres formas distintas:

•Conducción•Convección•Radiación

El calor pasa del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura por simple contacto entre ellos.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía térmica: Conducción

Ejemplo: Al calentar el extremo de una barra metálica el calor se transmite a toda la barra.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía térmica: Conducción

Q = (λ/d)·S·(T2-T1)·t

Donde Q es el calor medido en Kcalorías, d espacio entre las 2 superficies en m, S superficie de contacto en m2, t tiempo en horas, λ coeficiente de conductividad y T1 y T2, temperaturas inicial y final respect.

Material λ Material λ

Aluminio 197 Acero 12.5

Cobre 378 Madera 0.32 a 0.4

Hierro 60 Ladrillo 0.33

Agua 0.022 Hormigón 0.7 a 1.2

Aceite 0.108 Cristal 0.7

λ medido en kcal/(m·h·ºC)

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía térmica: Conducción Ejemplo: Una caldera con unas paredes de 5mm de espesor y con una superficie de 345cm2 se quiere mantener a 125º C. Sabiendo que está fabricada de acero, determina la cantidad de calor que es necesario aportar por hora (en kcal/h) para mantener dicha temperatura. Temperatura exterior 22ºC (McGRAW HILL; TECNOLOGIA INDUSTRIAL 1º Bch)

Datos:

d=0’05mS=0’0345m2

T1=22ºCT2=125ºCλ=12’5kcal/(m·h·ºC)

Q = (λ/d)·S·(T2-T1)·t

Q/t = (=12’5kcal/(m·h·ºC/0’05m)·0’0345m2·(125ºC-22ºC)

Q/t = 8.883’75kcal/h

El calor se propaga debido a las corrientes producidas por la disminución de densidad del fluido caliente que sube haciendo bajar el frío.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía térmica: Convección

Ejemplo: Una olla con agua caliente hirviendo.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía térmica: Convección

Q = α·S·(T2-T1)·t

Donde Q es el calor medido en Kcalorías, S superficie de contacto en m2, t tiempo en horas, α coeficiente de convección y T1 y T2, temperaturas inicial y final respect.

Material α Material α

Líquido en reposo 500Gas en reposo

∆T<15ºC=3+0’08·∆T

Líquido en ebullición

10.000Gas en reposo

∆T>15ºC=2’2·∆T1/4

Vapores en condensación

10.000

α medido en kcal/(m2·h·ºC)

ENERGÍAManifestaciones de la energíaEnergía térmica: Convección Ejemplo: Calcula la cantidad de calor transmitido por convección al techo de una habitación durante 4 horas, si se dispone de un radiador eléctrico de superficie 1’5m2

colocado en el suelo. La temperatura del radiador es de 120ºC y la de la habitación es de 35ºC (McGRAW HILL; TECNOLOGIA INDUSTRIAL 1º Bch)

Datos:

S=1’5m2

T1=35ºCT2=120ºCα =2’2·∆T1/4 kcal/(m2·h·ºC)t= 4h

(1) α =2’2·(120ºC-35ºC)1/4 kcal/(m2·h·ºC)

(1) α = 6’68kcal/(m2·h·ºC)

(2) Q = α·S·(T2-T1)·t

(2) Q = 6’68kcal/(m2·h·ºC) ·1’5m2·(120ºC-35ºC)·4h

(2) Q = 3.407 kcal

Consiste en la transferencia de calor en forma de ondas electromagnéticas.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

Energía térmica: Radiación

Ejemplo: Las cocinas de inducción.

ENERGÍAManifestaciones de la energíaEnergía térmica: Radiación

Donde Q es el calor medido en Kcalorías, S superficie de contacto en m2, t tiempo en horas, α coeficiente de convección y T1 y T2, temperaturas inicial y final.

Q = c·S·[(T2/100)4 – (T1/100)4] ·t

Material c Material c

Aluminio 0’40 Acero 1’42

Cobre 0’24 Madera 4’44

Hierro 2’16 Ladrillo 4’60

Agua 4’75 Porcelana 4’58

Aceite 4’06 Vidrio 4’65

c coeficiente radiación medido en kcal/(m2·h·ºC)

ENERGÍAManifestaciones de la energía

1. Energía mecánica

2. Energía eléctrica

3. Energía térmica

4. Energía electromagnética

5. Energía nuclear

6. Energía química

Energía almacenada en una región del espacio por la presencia de un campo electromagnético. Se manifiesta en forma de onda electromagnética caracterizadas por 2 parámetros: Frecuencia y longitud de onda

ENERGÍAManifestaciones de la energía

4. Energía electromagnética

En función de estos 2 parámetros encontramos ondas de radio, microondas, espectro infrarrojo, luz visible, luz ultravioleta, rayos x o rayos gamma.

En función de estos 2 parámetros encontramos ondas de radio, microondas, espectro infrarrojo, luz visible, luz ultravioleta, rayos x o rayos gamma.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

1. Energía mecánica

2. Energía eléctrica

3. Energía térmica

4. Energía electromagnética

5. Energía nuclear

6. Energía química

Es la energía que se libera en las reacciones atómicas. Puede proceder de 2 tipos: Fusión y fisión. En ambos tipos la disminución de masa neta se transforma en energía.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

5. Energía nuclear

E = m·c2

Donde E es el energía medida en Julios, m la masa en kg y c la velocidad de la luz 3·108m/s.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

5. Energía nuclear

Ejemplo: Calcula la energía liberada (en Kcal) en una reacción nuclear suponiendo que se han transformado 3 g de uranio en energía calorífica.

Datos:

m = 0’003kg

v = 3·108 m/s

E= m · c2

E= m · c2 = 0’003kg · (3·108m/s)2

E= 2’7·1014J = 6’46 .1010Kcal

ENERGÍAManifestaciones de la energía5. Energía nuclear

Fisión Fusión

Al fisionar (romper un átomo de Uranio o Plutonio se obtiene una gran energía en forma de calor.

El calor se produce a hora al unir un núcleo de deuterio y otro de tritio (isótopos del Hidrógeno), forman el Helio. *En fase de experimentación.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

1. Energía mecánica

2. Energía eléctrica

3. Energía térmica

4. Energía electromagnética

5. Energía nuclear

6. Energía química

Es la energía almacenada en la materia debido a su composición estructural (ej.- alimentos, combustibles fósiles,..) . Esta energía se libera al reaccionar con otro elementos obteniendo un subproducto.

ENERGÍAManifestaciones de la energía

6. Energía química

ENERGÍAManifestaciones de la energía

6. Energía química

Se define el poder calorífico de un combustible como la cantidad de calor liberado en la combustión de una cierta cantidad del mismo..

Q = Pc·m (sólidos y líquidos)

Q = Pc·v (gases)

Material Pc

Coque 5.300 – 7.000

Madera 2.500 – 3.600

Gasóleo 10.300

Gas Nat. 8.540

Butano 28.500

Donde Q es el calor medido en Kcalorías, m la masa en kg y v el volumen en m3.

Pc poder calorífico kcal/kg o kcal /m3

Ejemplo: Calcula en kJ, la energía liberada al quemar 8’5 Kg de madera.

Datos:

m = 8’5 kg

Pc = 3.000 kcal/kg

Q= Pc. m

Q= Pc. m = 3.000 kcal/kg . 8’5kg

Q = 25.500Kcal = 106.590KJ

ENERGÍAManifestaciones de la energía

6. Energía química

Sistemas energéticos

ENERGÍA

ENERGÍASistema energético El ser humano a lo largo de la

historia ha intentado explotar todos aquellos recursos energéticos que tenía en su entorno ya sea por sencillo procesos o por maquinaria más compleja capaz de aprovechar dichas energías.

Definimos un sistema energético como el conjunto de procesos realizados sobre la energía desde sus fuentes originarias hasta su uso final.

Captura y extracción

energía primaria

Transf. energía

secundaria

Transporte

Transf. energía

final

Consumo

Transf. energía

final

Captura y extracción

energía primaria

Transf. energía

secundaria

Transporte

Transf. energía

final

Consumo

Transf. energía

final

ENERGÍASistema energético

ENERGÍASistema energético

Cada una de las formas de energía estudiadas anteriormente son susceptibles de ser transformadas en otras. Pero en este proceso tenemos que tener en cuenta el 2º principio de la termodinámica:

Parte de la energía empleada se disipa en

calor

Este principio introduce el concepto de rendimiento del sistema:

Energía TransformadaEnergía Suministradaη =

ENERGÍASistema energéticoEjemplo: Una máquina de aire acondicionado ha extraído de una habitación 5.000kcal. Sabiendo que durante ese tiempo ha consumido 6 kWh, determina el rendimiento dela máquina. (McGRAW HILL; TECNOLOGIA INDUSTRIAL 1º Bch)

Datos:

Eabs =6kWh

Eútil = 5.000kCal

(1) Eabs =6kWh = 2’16 107 J

(2) Eútil = 5.000kCal = 5.000 · 4’18 J =2’09 107 J

(3) η = Eutil / Eabs= 2’09 107 J / 2’16 107 J = 0’97= 97%

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