Tema 1 Energía Conceptos Fundamentales

Tema 1. Energía: conceptos fundamentales

1. ASPECTOS PRELIMINARES• 1.1. NECESIDAD DE LA ENERGÍA

• 1.2. ¿QUÉ ES LA ENERGÍA?

• 1.3. UNIDADES DE MEDIDA. TRABAJO Y POTENCIA

1. FORMAS DE MANIFESTACIÓN DE LA ENERGÍA• 2.1. ¿QUÉ ES UNA FORMA DE ENERGÍA?

• 2.2. MANIFESTACIONES. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES

• 2.3. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS. RENDIMIENTO

1. FUENTES DE ENERGÍA• 3.1. ¿QUÉ ES UNA FUENTE DE ENERGÍA?

• 3.2. CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN

• 3.3. CARACTERÍSTICAS DE UNA FUENTE IDEAL

• 3.4. UNIDADES DE MEDIDA

Debemos RECORDAR que…• MAGNITUD → Propiedad que puede ser medida

• MEDIR → Comparar con un patrón

• UNIDAD → Cantidad del patrón tomada como referencia

• MAGNITUD FUNDAMENTAL → Determinada directamente

• MAGNITUD DERIVADA → A partir de dos o más fundamentales

• SISTEMA DE UNIDADES → Conjunto de magnitudes fundamentales y derivadas que tienen entre sí relaciones definidas y sencillas. Los más importantes son:

CEGESIMAL o CGS

TÉCNICO TERRESTRE o STT

GIORGI o MKS

BRITÁNICO o BGS

INTERNACIONAL o SI = MÉTRICO DECIMAL + MKS

• Los símbolos siempre en minúscula (excepto los referidos a nombres propios) y sin punto final; carecen de plural

• Si la magnitud se expresa en forma exponencial, el símbolo también

• El producto de símbolos se expresa con o sin punto

• El cociente se expresa con barra oblicua u horizontal o potencia negativa



1. ASPECTOS PRELIMINARES SOBRE LA ENERGÍA

1.1. NECESIDAD DE LA ENERGÍA

•La transformación básica, usada durante miles de años por el hombre es:

Sol ⇒ Fotosíntesis ⇒ Materia orgánica ⇒ Alimento ⇒ Energía ⇒ Trabajo

•En un principio, el ser humano sólo disponía de esta forma de energía para sobrevivir

•Descubre el FUEGO → cocina los alimentos y se calienta → MADERA y CARBÓN

•Usa la energía de los ANIMALES para ayudarle en sus trabajos y hacer otros nuevos

•A lo largo de la historia, los seres humanos aprenden a servirse de otras fuentes de

energía: EÓLICA (molinos de viento, barcos de vela), HIDRÁULICA (molinos, norias,

regadío)

•MÁQUINA DE VAPOR → avance fundamental → REVOLUCIÓN INDUSTRIAL

•MOTOR DE EXPLOSIÓN → combustibles derivados del PETRÓLEO → cambio radical

en el diseño de los medios de transporte

•ENERGÍA NUCLEAR → enorme cantidad de energía de pequeña cantidad de materia

•NUEVAS FUENTES DE ENERGÍA: SOLAR ( T + F ), GEOTÉRMICA, MAREMOTRIZ,

RSU,… → GARANTIZAR el suministro energético SIN DETERIORAR el medio ambiente



1.2. ¿QUÉ ES LA ENERGÍA?

ENERGÍA → capacidad de un cuerpo, sistema o proceso para desarrollar un TRABAJO

• Esto es debido a:

Su CONSTITUCIÓN → Energía Interna

Su POSICIÓN → Energía Potencial

Su MOVIMIENTO → Energía Cinética

• Primer Principio de la TERMODINÁMICA:

La Energía ni se crea ni se destruye. Sólo se transforma

• Es consecuencia de 4 FUERZAS FUNDAMENTALES:

FUERZA NUCLEAR FUERTE

FUERZA ELECTROMAGNÉTICA

FUERZA NUCLEAR DÉBIL

FUERZA GRAVITATORIA



1.3. UNIDADES DE MEDIDA. TRABAJO Y POTENCIA

• En el Sistema Internacional, la unidad de trabajo y de energía es el Julio (J)

Un Julio (J) es el trabajo realizado por una fuerza de un Newton (N) cuando desplaza su punto de aplicación un metro (m)

• Si expresamos la relación con la energía térmica, usaremos la caloría (cal)

Una caloría (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado centígrado (ºC) la temperatura de un gramo (g) de agua, a la presión atmosférica del nivel del mar (14,5 ºC → 15,5 ºC)

• La equivalencia entre ambas es:

1 J = 0,24 cal o bien 1 cal = 4,18 J




• Al trabajo realizado o cantidad de energía consumida o transformada por un sistema en la unidad de tiempo se le llama Potencia (P). Su unidad en el SI es el vatio (W)

Un vatio (W) es la potencia de una máquina o un sistema que desarrolla un trabajo de un Julio (J) en un tiempo de un segundo (s)

• En los cálculos de energía eléctrica se emplea el kilovatio hora (kWh)

Un kilovatio hora (kWh) es el trabajo realizado o la energía consumida o cedida durante una hora (h) por una máquina o un sistema que tiene una potencia de un kilovatio (kW)

• Su equivalencia con el Julio es:

1 kWh = 1 kW . 1 h = 1000 W . 3600 s = 3600000 J




•EQUIVALENCIAS:

En el SI, la masa (kg) es una magnitud Fundamental, mientras que el peso (N) es la fuerza con que la Tierra lo atrae, siendo una magnitud Derivada

En el Sistema Técnico el peso (kgf) es la magnitud Fundamental, mientras que la masa (kg) es la magnitud Derivada

•La equivalencia entre ambas es:

1 kgf = 9,8 N

A partir de la cual se derivan las relaciones entre las unidades fundamentales del SI y STT, las equivalencias energéticas, las de la potencia y otras

…


1. FORMAS DE MANIFESTACIÓN DE LA ENERGÍA

2.1. ¿QUÉ ES UNA FORMA DE ENERGÍA?

Forma de energía es el tipo o manifestación en que la energía puede manifestarse como tal o transformarse en otra en un cuerpo, sistema o proceso.

2.2. MANIFESTACIONES. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES

• Las formas básicas en las que la energía se puede manifestar son:

MECÁNICA

TÉRMICA

QUÍMICA

NUCLEAR

ELÉCTRICA

ELECTROMAGNÉTICA

SONORA


Ee = P . t = V . Ι . t = Ι2 . R . tP = V . ΙSegún la ley de Ohm: V = Ι . RP = potencia expresada en vatios (W)t = tiempo en segundos (s)V = voltaje en voltios (V)R = resistencia eléctrica en ohmios (Ω).Ι = intensidad de corriente en amperios (A).

Es la energía que proporciona la corriente eléctrica. Se trata de una energía de transporte, no siendo (mayoritariamente) ni primaria ni final. Es decir, el ser humano utiliza muy poco la energía eléctrica en sí, para actividades finales concretas (excepto par aplicaciones de descargas eléctricas a seres vivos).Generalmente siempre se transforma y procede de otro tipo de energía, como el calor, la energía mecánica, etc.

Eléctrica

Ee = ½ k . x2

k = constante elástica (N/m).x = deformación del objeto (m).

Es la energía que se puede almacenar en un cuerpo cuando experimenta o sufre una deformación.

Potencial Elástica

Ep = m . g . hg = gravedad = 9,8 m/s2

h = altura a la que se encuentra el cuerpo en metros (m)

Es la energía de un cuerpo debido a la altura a la que se encuentra dentro de un campo de fuerzas determinado. Nosotros nos vamos a centrar exclusivamente en el campo gravitatorio terrestre.

PotencialGravitatoria

Ec = ½ m . v2

m = masa del cuerpo que se mueve (kg)v = velocidad lineal del objeto (m/s)

Es la energía que posee un cuerpo debido a su velocidad.Cinética

MecánicaEm = Ec + Ep

FórmulasExplicaciónTiposFormas




Q = c . S . [(T2/100)4- (T1/100)4] . tc = coeficiente de radiación.S = área del objeto que irradia calor (m2)T2 = temperatura absoluta del objeto que

irradia calor (K)T1 = temperatura absoluta del objeto

irradiado (K)t = tiempo en horas.

El calor se transmite en forma de ondas electromagnéticas.Un cuerpo más caliente que el ambiente que lo rodea irradia calor en forma de ondas que se transmiten a distancia.

Radiación

Q = α . S . (Tf - Ti) . tα = coeficiente de convección.t = tiempo en horas.

El calor asciende. Para ello es necesario que haya algún fluido que los transporteConvección

Q = (λ /d) . S . (Tf - Ti) . tλ = coeficiente de conductividadd = distancia entre dos superficies del mismo cuerpo (m).S = superficies planas del mismo cuerpo (m2).t = tiempo en horas.

Paso de calor (energía) de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor, por efecto de choques moleculares.

Conducción

Térmica





Se obtiene al unir los núcleos de dos átomos (deuterio y tritio) para formar helio, con el consiguiente desprendimiento de una gran cantidad de energía calorífica.

Fusión

E = m . c2

E = energía producida (J).m = masa que desaparece (Kg).c = velocidad de la luz (3 . 108 m/s)

Se obtiene al romper un núcleo de un material fisionable (uranio o plutonio).

Fisión

Nuclear

Es propia de las ondas electromagnéticas, tales como ondas infrarrojas, luminosas, ultravioletas, microondas, etc.Existe otro tipo de energía, denominada sonora, que permite la transmisión de vibraciones o sonidos por el aire.

Radiante, electromagnética

y sonora

Q = Pc . m (sólidos y líquidos)

Q = Pc . V (gases)Pc = poder calorífico de un cuerpo al arder

(kcal/kg ó kcal/ m3).m = masa que se quema (Kg).V = volumen que se quema (m3).

Se origina al reaccionar dos o más productos químicos para formar otro distinto. Así tenemos: los alimentos, al digerirlos los seres vivos; el carbón, materias vegetales e hidrocarburos, al quemarse; etc.

Combustión químicaQuímica




…



2.3. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS. RENDIMIENTO

• En teoría, todas las formas de energía pueden ser transformadas en otras, pero no en la práctica.

• Además, las transformaciones energéticas deben cumplir también el Segundo Principio de la TERMODINÁMICA:

En un sistema, no toda la energía puede ser transformada en otra. Parte de ella se disipa en forma de calor o de energía térmica

• Este principio introduce un nuevo concepto, el RENDIMIENTO “η” de una transformación:

• Donde:

Energía absorbida = Energía ÚTIL

Energía aportada = Energía TOTAL

aportadaEnergía

absorbidaEnergíaorealizadoTrabajo

_

____=η

…



2.3. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS. RENDIMIENTO

ESQUEMA DE LAS TRANSFORMACIONES ENTRE LAS DISTINTAS ENERGÍAS


1. FUENTES DE ENERGÍA

3.1. ¿QUÉ ES UNA FUENTE DE ENERGÍA?

• Para obtener energía, según el principio de conservación, tenemos que extraerla de algún sistema o cuerpo que la tiene almacenada:

Una FUENTE DE ENERGÍA es todo sistema natural, artificial o yacimiento que pueda suministrar, por sí mismo o mediante procesos tecnológicos, alguna de las formas conocidas de energía. La cantidad disponible de energía de estas fuentes se denomina RECURSO ENERGÉTICO.

• La Tierra posee enorme cantidades de recursos energéticos. El problema es obtenerlos.

• Las fuentes más buscadas son las de alta concentración energética:

Combustibles fósiles

Uranio

• Pero también existen fuentes con una baja concentración energética:

Solar

Mareomotriz

Eólica

Geotérmica



3.2. CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN

• Según su CAPACIDAD DE RENOVACIÓN:

RENOVABLES: aquéllas que la naturaleza regenera con rapidez y de las que podemos obtener energía de forma continuada

NO RENOVABLES: aquéllas que se encuentran en la Tierra en cantidad limitada y, por tanto, se agotan con su utilización

• Según su ORIGEN:

FÓSILES: aquéllas formadas a partir de procesos físico-químicos en condiciones de presión y temperatura definidas durante millones de años

NO FÓSILES: aquéllas cuya capacidad de regeneración de energía depende de diferentes factores, como la energía nuclear, reacciones químicas, etc.

• Según su DISPONIBILIDAD:

CONVENCIONALES: las que generan la mayor cantidad de energía útil de un país

NO CONVENCIONALES: las que por falta de desarrollo tecnológico o por sus elevados costes no generan gran cantidad de energía útil

• Según su FORMA DE UTILIZACIÓN:

PRIMARIAS: las que se obtienen directamente de la naturaleza

SECUNDARIAS: las que se obtienen a partir de la transformación de las primarias



3.3. CARACTERÍSTICAS DE UNA FUENTE IDEAL

• La fuente óptima deberá cumplir con las siguientes CARACTERÍSTICAS BÁSICAS :

Que el suministro esté garantizado y disponible

Que tenga un precio asequible

Que respete el medio ambiente

• La realidad nos dice que las fuentes actuales tienen sus limitaciones:

FÓSILES → son contaminantes, no renovables y su precio creciente

NUCLEAR → la fisión es “peligrosa” y la fusión aún no está desarrollada

RENOVABLES → dependen de la variabilidad climática, son difíciles de almacenar, de precio elevado y no está garantizada su disponibilidad; aunque no son contaminantes y ayudan a reducir el consumo del resto

• La SOLUCIÓN → USO RACIONAL DE TODAS LAS FUENTES ENERGÉTICAS



3.4. UNIDADES DE MEDIDA

• Están basadas en el PODER CALORÍFICO de cada fuente de energía :

Las kcal/kg y las kcal/m3 nos indican el número de kilocalorías que obtendríamos en la combustión de 1 kg o 1 m3 de combustible. El Poder Calorífico (Pc) de una sustancia se mide en estas unidades

La tec o tonelada equivalente de carbón representa la cantidad de energía liberada por la combustión de 1 tonelada de carbón (hulla)

La tep o tonelada equivalente de petróleo representa la cantidad de energía liberada por la combustión de una tonelada de petróleo crudo

• Las equivalencias entre las unidades energéticas más usadas son:

1 kcal = 4,186 . 103 J

1 tec = 2,93 . 1010 J

1 tep = 4,184 . 1010 J

1 tec = 5,3 barriles de petróleo = 890 m3 de gas natural

1 tep = 7,6 barriles de petróleo = 1270 m3 de gas natural

En 1791, el metro se definió como la diezmillonésima parte del cuadrante del meridiano terrestre. Para representarlo de forma concreta, se creó una regla plana de Platino. → Deseo “UNIVERSALISTA”

En 1983, debido al avance en el estudio de las radiaciones, se definió como «Distancia recorrida en el vacío por la luz durante un tiempo igual a 1/299.792.458 s» → Relación con una CONSTANTE UNIVERSAL

En 1960, se define como 1.650.763,73 veces la longitud de onda de la radiación emitida por el salto cuántico entre los niveles 2p10 y 5d5 de un átomo de kriptón 86 → Relación con una magnitud física INALTERABLE y REPRODUCIBLE con precisión

En 1875, se cambió la forma pasando a ser una barra en “X” de Platino e Iridio (se mandan copias a los 20 países que firman el acuerdo) → EVITAR ERRORES por deformaciones

En 1799, pasó a definirse como la distancia entre los dos extremos de la regla precedente (era 0,2 mm más corto) → EVITAR ERRORES por el avance en las medidas geodésicas

Realizar los ejercicios 2, 3, 6 y 7 del libro.

Realizar los ejercicios de las hojas, del 1 al 23.

Realizar los ejercicios 9, 10, 11, 14, 16, 18 y 23 del libro.

Tema 1 Energía Conceptos Fundamentales

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