Física y Química 3º ESO: guía interactiva para la resolución de ejercicios

Física y Química 3º ESO: guía interactiva para la resolución de ejercicios

LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICAFuentes de energía

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química


Índice Ejercicio 1 Ejercicio 2 Ejercicio 3 Ejercicio 4 Ejercicio 5 Ejercicio 6 Ejercicio 7 Ejercicio 8 Ejercicio 9 Ejercicio 10 Ejercicio 11

Ejercicio 12 Ejercicio 13 Ejercicio 14 Ejercicio 15 Ejercicio 16 Ejercicio 17 Ejercicio 18 Ejercicio 19 Ejercicio 20 Ejercicio 21

Energías renovables y no renovables en España

Energía nuclear

Energías renovables


Ayuda Las fuentes de energía se pueden clasificar en renovables y no renovables. Las fuentes de energía renovables

se consideran inagotables, mientras que las no renovables son limitadas y tarde o temprano se agotarán. Los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y la energía nuclear son fuentes de energía no

renovables. Se trata de energías sucias, ya que contaminan el medio y generan residuos contaminantes. Tienen la ventaja de que producen gran cantidad de energía por unidad de tiempo.

La energía hidráulica, la eólica, la energía de las olas y las mareas, la energía solar, la energía geotérmica y la biomasa son fuentes de energía renovables. Suelen ser energías limpias, repartidas por todo el planeta. Tienen el inconveniente de que generan poca energía por unidad de tiempo.


Ayuda La fusión nuclear es un ejemplo de reacción nuclear. Las reacciones nucleares son distintas de las reacciones

químicas. En una reacción química, como la combustión del gas butano, se forman moléculas nuevas a causa de la reordenación de los átomos, pero éstos no cambian. En una reacción nuclear los átomos cambian y se forman nuevos elementos. Por ejemplo, la fusión de un núcleo de deuterio ( ) y de un núcleo de tritio ( ) produce un núcleo de helio ( ):

En las centrales nucleares se produce otra clase de reacción nuclear llamada fisión nuclear (“rotura”). En una reacción de fisión el núcleo de un átomo grande se rompe en dos partes más o menos iguales.

En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía.

H21 H3

1

He42

Fusióndeuterio

tritio

helio

neutrón

neutrón

Uranio-235


EJERCICIO 1

(a) Clasifica las siguientes energías en renovables y no renovables.(b) Las fuentes de energía también se pueden clasificar según cuál sea su origen: el interior de la Tierra o fuera de la Tierra, como la producida por la gravitación (de la Luna y el Sol) y la energía radiante que proviene del Sol. Clasifica las siguientes energías según su origen.

Combustibles fósiles

Energía nuclear

Energía eólica

Energía de las olas

Energía de las mareas

Energía geotérmica

Energía solar

Energía de la biomasa

Energía hidráulica

# Contesta al apartado (a)

Energía no renovable

Energía renovable

# Contesta al apartado (b)

Interior de la Tierra

Fuera de la Tierra


EJERCICIO 2

El gráfico muestra la producción de energía primaria en España en el periodo 1990-2000. Vemos que aparece, para cada uno de los años, los porcentajes procedentes de los combustibles fósiles, de la energía nuclear y de las energías renovables (sólo la energía hidráulica).(a) El porcentaje asociado a los combustibles fósiles ¿aumenta o disminuye a lo largo del periodo considerado?(b) ¿Y el porcentaje de la energía nuclear?(c) Comenta brevemente el porcentaje de las energía renovables.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

19901991

19921993

19941995

19961997

19981999

2000

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA PRIMARIA EN ESPAÑA

Energía nuclear

Energías renovables (sólo se incluye la energía hidraúlica)


# Contesta a los apartados (a) y (b).

Vemos que el porcentaje de los combustiblesfósiles disminuye paulatinamente a lo largo delperiodo considerado, al tiempo que el porcentajede la energía nuclear, con la excepción de 1996,va aumentando.

# Contesta al apartado (c).

A pesar de que sólo se ha considerado la energíahidráulica, se observa que la contribución de lasenergías renovables a la producción de energíaprimaria es cada vez más importante.


EJERCICIO 3

El gráfico muestra el consumo de energía primaria en España en el periodo 1990-2000. Vemos que aparece, para cada uno de los años, las cantidades procedentes de los combustibles fósiles, de la energía nuclear y de las energías renovables (sólo la energía hidráulica). Observa que se utiliza una unidad de medida especial (ktep).Comenta brevemente los aspectos que consideres más relevantes en relación al consumo de los tres tipos de energía.

CONSUMO DE ENERGÍA PRIMARIA EN ESPAÑA

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

19901991

19921993

19941995

19961997

19981999

2000ktep

(ki

loto

nel

adas

eq

uiv

alen

tes

de

pet

róle

o)


Energías renovables (sólo se incluye la energía hidráulica)

Energía nuclear

Se observa que los consumos de energía nucleary de energías renovables se han mantenido casi constantes en el periodo considerado. Al mismotiempo, el consumo de combustibles fósiles noha cesado de aumentar.


EJERCICIO 4

El gráfico muestra la energía eléctrica producida en España por fuentes renovables y fuentes no renovables.(a) Vemos que el uso de la energía nuclear para producir electricidad apenas cambia. ¿Cuántos millones de kWh son, aproximadamente, de origen nuclear?(b) ¿Por qué la energía eléctrica producida por fuentes renovables es variable?(c) La producción de energía eléctrica en conjunto ¿aumenta o disminuye? ¿A qué crees que es debido?

0 50.000 100.000 150.000

(millones de kWh)

1995

1996

1997

1998

1999

2000

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN ESPAÑA

Energía nuclear


Energías renovables

# Contesta al apartado (a).

Vemos en el gráfico que se producen algo más 50.000 millones de kWh.

# Contesta al apartado (b).

El uso de fuentes renovables depende de factores estacionales: temperaturas, vientos, lluvias, … Por lo tanto, la producción de energía eléctrica será variable.

# Contesta al apartado (c).

La producción total de energía eléctrica aumenta debido a que cada vez hay más demanda y consumo.


El consumo de R.S.U. aumenta casi dos veces y media.

EJERCICIO 5

A partir de los datos de la siguiente tabla, o del correspondiente gráfico de barras, contesta a las siguientes preguntas:(a) ¿Para qué dos tipos de energía es mayor la previsión de crecimiento hasta el año 2010?(b) ¿Cómo evoluciona, en el periodo considerado, el uso de los residuos sólidos urbanos (R.S.U.)?(c) ¿Qué tipo de energía no es previsible que se desarrolle de ahora al año 2010?

CONSUMO DE ENERGÍAS RENOVABLESEN ESPAÑA Y PREVISIONES PARA 2010

1999 2000 2010

Minihidráulica (=10 MW) 392 381 594Hidráulica (>10 MW) 1.854 2.110 2.677Eólica 225 416 1.852Biomasa 3.595 3.623 9.645Biogás 97 109 150Biocarburantes 0 51 500R.S.U. 276 279 683Solar térmica 28 31 336Solar fotovoltaica 1 2 19Solar termoeléctrica 0 0 180Geotérmica 5 8 3 TOTAL 6.473 7.010 16.639

Datos en ktep.

Datos 2010: Objetivos Plan de Fomento de las Energías Renovables, 1999-2010.Fuente: IDAE.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

1999 2000 2010

ENERGÍAS RENOVABLES EN ESPAÑA

Geotérmica

Solar termoeléctrica

Solar fotovoltaica

Solar térmica

R.S.U.

Biocarburantes

Biogás

Biomasa

Eólica

Hidráulica (>10 MW)

Minihidráulica (=10 MW)

(a)

(b)(c)


# Tienes que decidir, en primer lugar, en qué procesos existe una reordenación de los átomos y en cuáles se produce elementos nuevos.

EJERCICIO 6

En los siguientes procesos se libera energía:

I. CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O; II. Be + He C; III. 2 H2 + O2 2 H2O; IV. H + H He.

Clasifica dichos procesos en reacciones químicas y reacciones nucleares. Justifica la respuesta.

I. y III.

II. y IV.

# Clasifica ahora los procesos en reacciones químicas y nucleares.

Reacciones químicas

Reacciones nucleares


EJERCICIO 7

En el cuadro de abajo se muestra dos ecuaciones. Ambas suponen la rotura de algún tipo de “partícula”: moléculas o núcleos atómicos.(a) ¿Cuál de ellas es una reacción química y cuál una reacción nuclear? Justifica la respuesta.(b) La reacción nuclear ¿es de fusión o de fisión? ¿Por qué?

2 NH4NO3 N2 + 2 NO + 4 H2O

nitrato de amonio nitrógeno monóxido agua de nitrógeno

U Ba + Kr

uranio bario criptón


En el primer proceso se produce la rotura de la molécula de nitrato de amonio y las reordenación de los átomos; se trata de una reacción química.

En el segundo proceso un núcleo de uranio se rompe en otros dos: un núcleo de bario y un núcleo de criptón; es una reacción nuclear.

# Contesta al apartado (b).

Se trata de una reacción nuclear de fisión: ha habido la rotura de un núcleo.


EJERCICIO 8

La figura muestra el esquema de una central nuclear. Se pide que identifiques en dicho esquema los elementos de la central que se indican en la columna de la izquierda.

Barras de control

Elementos combustibles

Cubierta de hormigón

Bombas de agua

Intercambiador de calor

Turbina

Generador

Torres de refrigeración

Condensador

Generador de vapor


EJERCICIO 9

En el diagrama siguiente se muestra los cambios de energía que tienen lugar en una central nuclear. Rellena el diagrama con los términos de la lista.

Reactor Intercambiador de calor Turbina Generador

energía térmica y energía cinética del vapor1

energía eléctrica2

energía nuclear del combustible3

pérdida de energía térmica por conducción4

pérdida de energía térmica en el condensador5

pérdida de energía por fricción entre la turbina y el generador6

energía cinética del eje de las turbinas7

energía térmica del líquido del reactor88

1

2

3

4

5

6

7


EJERCICIO 10

(a) La fisión de un núcleo de uranio-235 libera 3,20.10-11 J de energía. Si un gramo de uranio-235 contiene 2,56.1021 átomos ¿cuánta energía se podría liberar si todos los átomos se fisionaran?(b) Si una tonelada de carbón puede producir 2,8.1010 J de energía ¿cuánto carbón haría falta para producir la misma cantidad de energía que un gramo de uranio-235?


Energía = número de núcleos x energía liberada por núcleo

E = 2,56.1021 núcleos x 3,20.10-11 J/núcleo = 8,19.1010 J

# Escribe la proporción adecuada y contesta al apartado (b).

carbóndeTxJ

x

J

carbóndeT9,2

108,2

102,8;

102,8108,2

110

10

1010


EJERCICIO 11

En la tabla se indica las centrales nucleares que se encuentran actualmente en funcionamiento en España, con indicación del tipo de reactor: agua a presión (PWR) o agua en ebullición (BWR), así como de la potencia y de la energía producida en el año 2000.(a) Indica las tres centrales de mayor potencia y las tres de menor potencia.(b) Repite el apartado anterior respecto a la energía producida.(c) ¿Coinciden las respuestas dadas en los dos apartados anteriores? ¿Por qué?

Centrales nucleares en EspañaNombre y tipo Localización Potencia

(MW)Energía producida (millones de kWh)

Almaraz I (PWR) Cáceres 973,5 7765

Almaraz II (PWR) Cáceres 982,6 7682

Ascó I (PWR) Tarragona 973 8012

Ascó II (PWR) Tarragona 976,2 8795

Cofrentes (BWR) Valencia 1025,4 7715

J. Cabrera (PWR) Guadalajara 160 1168

S. M. Garoña (BWR) Burgos 466 4029

Trillo I (PWR) Guadalajara 1066 8733

Vandellós II (PWR) Tarragona 1009 8305

(a) (b)

(c)No coinciden las respuestas porque no habrán estado funcionando el mismo tiempo debido a paradas técnicas.


Energía eléctrica

Energías térmica y sonoraen la turbina y el generador

Energías térmica y sonoradel agua al caer

Energía cinéticade rotación deleje de la turbina

Energías cinética y potencialdel agua que cae

EJERCICIO 12

La figura muestra el esquema de una central hidroeléctrica. A partir de la información suministrada en dicho esquema, y mediante un diagrama de flujo, explica las transferencias de energía que tienen lugar cuando se produce energía eléctrica en una de estas centrales.

Energía potencialdel agua almacenada


EJERCICIO 13

¿Qué masa de agua tiene que fluir cada segundo para generar 2,25 MW si el agua se almacena en una presa de 50 m de altura? Supón que el rendimiento de la turbina y el generador es del 90%.Contesta a partir del esquema de cálculo mostrado a continuación.

Potencia disponible = energía potencial transferida por segundo = gh

= masa de agua que cae por segundo (kg/s)

g = 9,8 N/kg

h = la altura desde la que cae el agua

Potencia utilizada = potencia disponible

Cálculo de energía de un proyecto hidroeléctrico

mente)aproximada(90%

generadorely

turbina la de orendimient

# Expresa la potencia utilizada en función de la energía potencial y del rendimiento.

Potencia utilizada = gh·rendimiento

# Expresa la masa que cae por segundo en función de las otras magnitudes y realiza los cálculos pertinentes.

s

kg

ientorenhg

utilizadapotencia5102

1041,4

1025,2

9,0508,9

1025,2

dim 2

66


EJERCICIO 14

Con la ayuda del esquema de la figura, explica cómo funciona una central mareomotriz (como la instalada en el estuario del Rance en la Bretaña francesa, que tiene una potencia de 240 MW).

11

22

22

33

1122

22

33


EJERCICIO 15

Se sabe que un mecanismo de energía de olas puede extraer el 45% de la energía transportada por las olas. Si dicho mecanismo se instalara en olas que tuvieran una potencia de 80 kW por metro de fachada, ¿cuál sería la potencia utilizable a lo largo de un emplazamiento de 25 km de longitud?

# Calcula la potencia de las olas en la instalación.

Potencia = Potencia por metro x longitud = = 80 kW/m x 25000 m = 2.106 kW

# Calcula la potencia que se puede extraer de las olas.

Potencia utilizable = Potencia x rendimiento = = 2.106 kW x 0,45 = 9.105 kW

El rendimiento en términosde energía es el mismo queel rendimiento en términosde potencia.


EJERCICIO 16

El uso de la energía eólica para la producción de energía eléctrica está cada vez más extendido en los países de la UE. El cuadro muestra la potencia eólica instalada en el año 2001.(a) ¿Qué país de la UE tiene más potencia eólica instalada? ¿Qué lugar ocupa España?(b) ¿Qué país de la UE tiene más potencia eólica instalada por cada 1000 habitantes? ¿Y menos?(c) ¿Qué lugar ocupa España respecto a la potencia eólica instalada por cada 1000 habitantes?

ENERGÍA EÓLICA EN LA UNIÓN EUROPEA (Año 2001)

Potencia instalada (MW)

Población (miles de personas)

Potencia/Población (MW/miles de personas)

Alemania 8.750 82.260 0,1064Austria 97 8.121 0,0119Bélgica 18 10.263 0,0018Dinamarca 2.417 5.349 0,4519ESPAÑA 3.660 40.122 0,0912Finlandia 39 5.181 0,0075Francia 94 59.037 0,0016Grecia 273 10.554 0,0259Holanda 483 15.987 0,0302Irlanda 132 3.826 0,0345Italia 697 57.844 0,0120Luxemburgo 10 441 0,0227Portugal 127 10.263 0,0124Reino Unido 474 59.863 0,0079Suecia 264 8.883 0,0297

Fuente: EurObserv’ER.

(a) 1º

2º

(b)

1º

Último

(c)

Ocupa el tercer puesto, con 0,0912 MW/1000 hab.


EJERCICIO 17

El ángulo de inclinación de un panel solar afecta mucho a la cantidad de energía que recibe en distintas épocas del año. La tabla de datos indica el efecto de los distintos ángulos de inclinación en algunos meses.(a) ¿Qué ángulo de inclinación sería ideal para un panel solar en abril?(b) ¿Es mejor tener el panel solar inclinado un ángulo de 40º o un ángulo de 60º para todos los meses indicados en la tabla? Razona tu respuesta.(c) ¿Cuál es la máxima cantidad de energía que un panel de 4 m2 podría recibir en un día del mes de junio?

Máxima entrada de energía diaria para un panel de 1 m2 (MJ)

Mes Ángulo de inclinación

20º 40º 60º

Abril 23,8 24,8 22,7

Junio 29,2 27,4 22,3

Agosto 25,6 26,3 22,7

(a)

El ángulo de inclinación idealpara el mes de abril es de 40º.

(b)

Es mejor el ángulo de 40º, ya que la energía recibida es mayor en todos los meses de la tabla.

En junio la máxima entrada de energíase produce para un ángulo de 20º.Energía = 29,2 x 4 = 116,8 MJ

(c)


EJERCICIO 18

En ocasiones, cuando no es posible la producción a gran escala de electricidad mediante las energías renovables, se pueden usar para conseguir cantidades útiles de agua caliente para uso doméstico. La tabla muestra los datos correspondientes al citado uso en España y su proyección para el año 2010. Calcula la variación prevista para el periodo 2000-2010 y el porcentaje de variación respecto al año 2000. Analiza los resultados obtenidos.

PRODUCCIÓN TÉRMICA CON ENERGÍAS RENOVABLES EN ESPAÑA

Datos en ktep.

1998 1999 2000 2010

Diferencia 2010-2000

Variación porcentual

(%)

Biomasa (**) 3.318 3.336 3.358 4.376

Biocarburantes 0 0 51 500

Solar térmica 26 28 31 336

Geotérmica 4 5 8 3

TOTAL 3.348 3.369 3.448 5.215

(**)Incluye biogás térmico.

Fuente: IDAE

1.018

449

305

-5

1.767

# Halla la diferenciaentre las produccionesde 2010 y 2000.

# Divide la diferencia anterior entre la producción del año 2000 y multiplica este cociente por 100.

30%

880%

984%

-63%

51%

Para el periodo 2000-2010 se espera un aumento global en la producción superior al 50%.


EJERCICIO 19

Lee con atención el siguiente texto y contesta a las preguntas:(a) ¿Qué país fue el mayor productor mundial de células fotovoltaicas? ¿Y el mayor productor de la UE?(b) ¿Qué posición ocupa España respecto a la potencia fotovoltaica instalada?(c) ¿Qué dificultades presenta el desarrollo futuro de esta energía renovable en la UE?

En 2002 la producción mundial de células fotovoltaicas aumento un 33,3% y alcanzó los 535 MWp. La posición de liderazgo en el sector corresponde a los fabricantes japoneses, con una producción de 251 MWp en células fotovoltaicas. Entre los países productores de la UE, Alemania (57 MWp) se sitúa como el mercado más importante, por delante de España (44,1 MWp).

En total, en la UE se instalaron 392 MWp en 2002, destacando el crecimiento del mercado alemán, seguido del holandés. España ocupa la cuarta posición (19,3 MWp) en la clasificación de plantas fotovoltaicas instaladas.

Pese a este crecimiento, el futuro de la energía fotovoltaica es todavía frágil. Para finales de 2003 se puede esperar una potencia total en torno a los 520 MWp en la UE, por lo que no se alcanzará el objetivo de 650 MWp. Este retraso se debe a la demora en la puesta en marcha de los programas nacionales de ayuda a la energía solar fotovoltaica (tarifas de compra y subvenciones) en Italia, Gran Bretaña, España y Francia; y, en algunos casos, a la falta de voluntad política de llevar dichos programas a la práctica.

(a)

(b)

(c)


EJERCICIO 20

Como sabes, el biogás se produce mediante la digestión anaeróbica de los desperdicios orgánicos. El biogás contiene un 60% de metano, que es el combustible, y un 40% de dióxido de carbono. Además, deja un residuo útil como fertilizante. Los países que más han desarrollado la producción de biogás son India (con 100.000 generadores) y China ( con 7.000.000 generadores). Para que tengas una idea de la energía contenida en el biogás, recuerda que 1 m3 del mismo permite: cocinar para 10 personas la comida de un día, iluminar durante 6 horas como lo haría una bombilla de 60 W o generar 1,25 kWh de electricidad.Una familia hindú necesita para cocinar alrededor de 3 m3 de metano al día. Cada kilogramo de boñiga produce 0,034 m3 de metano y una vaca suministra 7 kg de boñiga al día. ¿Cuántas vacas necesita la familia hindú para obtener todo el metano que precisa a partir de boñiga?

# Calcula la masa de boñiga que se necesita.

kgMasa 2,88034,0

3

# Halla el número de vacas que se precisa.

136,127

2,88vacasdeNúmero


EJERCICIO 21

Las figuras muestran dos aplicaciones de la energía geotérmica: una de baja temperatura y otra de alta temperatura. Indica cuál corresponde a cada una de ellas. ¿Por qué son necesarias temperaturas altas de las rocas y del agua subterránea si se quiere obtener electricidad de las fuentes geotérmicas?

Energía geotérmica

De baja temperatura

De alta temperatura

Son necesarias temperaturas altas para que el agua esté vaporizada y pueda mover las turbinas.

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