1. 1. Concepto de Energa. Breve evolucin histrica. La Historia de la Humanidad, en buena parte, est ligada a cmo los seres humanos han satisfecho sus necesidades energticas. A medida que las necesidades han aumentado hemos tenido que aprender a utilizar y aprovechar nuevas fuentes de energa y a construir mquinas capaces de transformar esa energa en procesos concretos. Desde la Prehistoria se han aprovechado las transformaciones de la energa que se producen espontneamente en la naturaleza. El descubrimiento del fuego permiti cocinar los alimentos, construir nuevas herramientas, etc.,mientras que la energa del agua y el viento, se aprovech para hacer funcionar ruedas, molinos o barcos de vela. La subordinacin de la energa al hombre alcanz su momento trascendental hacia fines del siglo XVII cuando se desarroll la mquina de vapor, que revolucion el mundo del transporte y de las minas de carbn donde se utilizaban para achicar agua. El petrleo result indispensable para otro adelanto tcnico del s.XIX. Esta innovacin, que revolucion la vida moderna fue el motor de combustin interna, llamado as porque en su interior hay un cilindro en el que se quema combustible de tal forma que los gases mueven directamente el pistn. En el s. XX toma un gran auge la energa elctrica por su facilidad de transporte y su comodidad de uso. En la actualidad, la disponibilidad y consumo de energa es un factor que nos define el grado de desarrollo de un pas. Por ejemplo, en 1983 la Tierra tena 4500 millones de habitantes que utilizaban 100 billones de Kwh. al ao, esto equivale a un consumo de potencia media de 2.2 Kw. por habitantes. Sin embargo, mientras que en EE.UU. La potencia media era de 10 Kw. por habitantes, en el resto del mundo el consumo medio era de slo 450 w.
2. 2. DEFINICINES Y UNIDADES DE MEDIDA Trabajo: Se define como el producto de la fuerza aplicada sobre un cuerpo y el desplazamiento que ste sufre. Si el objeto no se desplaza en absoluto, no se realiza ningn trabajo sobre l. W = F d El trabajo utiliza las mismas unidades que la energa. Potencia: Es la cantidad de trabajo que realiza o consume una mquina por cada unidad de tiempo. Su unidad en el sistema internacional es el vatio (W) P = Trabajo/tiempo = W/t Una mquina de 1 W de potencia hace el trabajo de un Julio cada segundo. Otras unidades de potencia: El caballo de vapor (CV) o Horse Power (HP). 1 CV = 735 W Energa: Existen dos caminos para transferir energa de un cuerpo a otro, el trabajo y el calor. Por lo tanto vamos a definir la energa como la capacidad de un cuerpo para transferir calor o producir un trabajo. Su unidad en el S.I. es el Julio. Existen otras unidades para medir la energa: Para medir las manifestaciones en forma de calor se utiliza la calora, 1 cal = 4,18 J (1 caloria es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14,5 C a 15,5 C.) En electricidad la unidad que se utiliza para medir la energa es el wh (vatio por hora) o ms comn el kwh (kilovatio por hora) 1 wh = 3600 J
3. 3. FUENTES DE ENERGA Llamamos fuente de energa a un sistema natural cuyo contenido energtico es susceptible de ser transformado en energa til. Nuestro planeta posee grandes cantidades de energa. Sin embargo, uno de los problemas ms importantes es la forma de transformarla en energa utilizable. Las fuentes ms buscadas son las que poseen un alto contenido energtico y acumulan energa en la menor cantidad de materia posible. Es el caso del petrleo, carbn y gas natural. En otras, por el contrario, se encuentra difusa (solar, elica, geotrmica, etc)
4. 4. Manifestaciones de la energa Energa trmica. Energa elctrica. Energa qumica. Energa electromagntica. Energa nuclear. Energa mecnica: Potencial Cintica
5. 5. ENERGA TRMICA Es la energa asociada a la transferencia de calor de un cuerpo a otro. Las molculas de los cuerpos estn en movimiento continuo, y cuanto mayor sea este movimiento (la velocidad de las molculas que lo componen), mayor ser su energa trmica. Si colocamos al lado o cerca de este cuerpo otro con diferente temperatura, la energa trmica pasar del que tenga mayor temperatura al que tenga menor en forma de calor. 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 del llamado calor especfico del material Ce. Cada material tiene su propio calor especfico. Ejemplo: Madera Ce = 06 cal/g C - Cobre Ce = 0094cal/g C Agua Ce = 1cal/g C (Esto significa que para que un gramo, por ejemplo, de madera, suba su temperatura un grado debe absorber 06 cal) Q = m Ce T
6. 6. ENERGA ELECTRICA Es la energa que proporciona la corriente elctrica. Este tipo de energa es muy utilizada en la actualidad por la facilidad y seguridad de su transporte. En su mayor parte se obtiene en las centrales elctricas a partir de otras fuentes de energa (carbn, petrleo, uranio, etc.) calentando agua y hacindola pasar por unas turbinas que hacen girar un alternador que la produce. Es la de mayor utilidad por las siguientes razones: - Es fcil de transformar y transportar - No contamina al ser consumida - Es muy cmoda y limpia de utilizar La expresin para calcular la energa elctrica es la siguiente: Sabemos que: E = Pt; donde P es la potencia (vatios) de la mquina que genera o consume la energa durante un tiempo (segundos) t La potencia elctrica viene definida como: P = VI Eelec = VIt donde P es la potencia (vatios) de la mquina que genera o consume la energa durante un tiempo (segundos) t Cuando hablamos de energa elctrica es muy usual utilizar el Kwh. (kilovatio hora) como unidad en lugar del Julio. (1Kwh = 3600 Julios)
7. 7. ENERGA QUMICA Es la energa que se origina cuando varios productos qumicos (reactivos) reaccionan para formar otros (productos). Ejemplo: Al hacer la digestin, mediante reacciones qumicas transformamos los alimentos en energas y otras sustancias asimilables para el cuerpo. Con la reaccin qumica de la combustin se produce mucho calor. Los casos ms conocidos son los de los combustibles (carbn, petrleo, gas, ...). Se define el poder calorfico de un combustible como la cantidad de calor liberado en la combustin de una cierta cantidad del mismo. Se mide en kcal/kg. P. Ej: el poder calorfico del carbn es aproximadamente 9000 kcal/kg. Este Pc depende de la masa en los materiales slidos y del volumen en los gaseosos y lquidos, Q = Pc m Q = Pc V Donde m es la masa y V es el volumen respectivamente del combustible empleado, y Q es el calor obtenido de la combustin.
8. 8. ENERGA ELECTROMAGNTICA Es la energa que portan las ondas electromagnticas, como los infrarrojos, la luz, o las microondas. Las ondas poseen una energa determinada, y esta se puede aprovechar para las comunicaciones (estaciones de radio y televisin) Una propiedad bsica de la luz es su longitud de onda, que se define como la distancia entre crestas o depresiones consecutivas de las ondas. La luz blanca es en realidad una mezcla de longitudes de onda.
9. 9. ENERGA NUCLEAR Es la energa almacenada en el ncleo de los tomos y que se puede aprovechar mediante reacciones de fisin y de fusin. (Ncleos de tomos que se rompen o que se unen) Las reacciones de fisin consisten en romper ncleos de tomos pesados como el Uranio o el Plutonio para producir energa. Son las reacciones que se producen comercialmente en, por ejemplo, las centrales nucleares. En la fisin el peso resultante de la reaccin nuclear es un poco menor que la suma de los pesos de sus componentes. Esa diferencia de pesos se transforma en energa segn la frmula: E = mc2 Donde E es la energa calorfica obtenida en julios; m, es la masa que ha desaparecido en kg; y c, es la velocidad de la luz, 3108 m/s. Por otro lado, las reacciones de fusin consisten en unir tomos ligeros como el Hidrgeno para producir energa. Este tipo de energa est aun en fase experimental.
10. 10. ENERGA MECNICA Es la energa relacionada con el movimiento o la posicin que un cuerpo ocupa respecto a otro. Ejemplo: en una central hidroelctrica se aprovecha la energa mecnica que tiene el agua al caer para mover las turbinas. Tipos de energa mecnica: Energa cintica, energa que tiene un cuerpo debido a su movimiento: Ec = 12 m v2 Donde m es la masa del cuerpo que se mueve a velocidad v. Energa potencial, Es la energa que tiene un cuerpo debido a su posicin respecto a otro. Un caso muy particular es la energa potencial gravitacional que es la que tienen los cuerpos debido a suposicin respecto del suelo. Ep=mgh Donde g es la aceleracin de la gravedad g = 98 m/s (en la Tierra) Otro ejemplo, la energa potencial elstica, depende de su estado de tensin, como puede ser el caso de un muelle (potencial elstico). Ep = 12 k x2 Donde k es la constante elstica del muelle (N/m) y x es la deformacin (m)
11. 11. TRANSFORMACIONES ENERGTICAS El Principio de conservacin de la Energa se puede enunciar como: La energa no se crea ni se destruye slo se transforma Este principio constituye una formulacin de un hecho que se puede observar en la Naturaleza y quiere decir, que cuando hay un proceso en el que se realiza trabajo, la energa se transforma de una manifestacin en otra, pero no desaparece, la energa sigue estando ah. Por ejemplo, una pila se gasta porque toda la energa qumica que posea se ha transformado. Una parte se habr transformado en energa elctrica y otra parte ms pequea en energa trmica, as que en este contexto, la palabra gastar significa transformar un tipo de energa en otro. Todas las manifestaciones energticas se pueden transformar en otras, en la prctica algunas de estas transformaciones son imposibles de hacer al cien por cien y parte de la energa original se transforma en calor Por ejemplo, en el motor de gasolina de un coche, la energa qumica del combustible se utiliza para producir movimiento (energa mecnica), pero no toda esa energa se transforma en mecnica, sino que parte se degrada en forma de calor (rozamiento, calentamiento de las piezas del motor,...)
12. 12. RENDIMIENTO Los diseos de mquinas deben permitir el mayor aprovechamiento energtico, es decir eliminar al mximo las prdidas de energa y conseguir una relacin entre la energa til (trabajo realizado por la mquina) y la energa aportada lo ms prxima a la unidad. A esta relacin se le denomina rendimiento de una mquina y se expresa: donde es un nmero que est siempre entre 0 y 1, y si lo multiplicamos por 100, nos dar el tanto por ciento de energa que se aprovecha.