Producción y transformación de las diferentes formas
de energía.
Introducción.
Por definición, la energía
es la virtud para obrar o producir un efecto. No
obstante, el concepto
de energía no es fácil de comprender, ya que la energía solo se pone de
manifiesto cuando pasa de unos cuerpos a otros, es decir, cuando se transforma.
Continuamente
se producen transformaciones de energía en la Naturaleza:
la energía que recibimos del Sol transforma en agua la nieve de las montañas, eleva la temperatura
de los ambientes, hace crecer las plantas
que alimentan a diferentes animales,
etc. Muchas de estas transformaciones tienen lugar sin que intervenga el hombre.
Pero
tan importantes como las transformaciones de energía en la Naturaleza, son las
transformaciones de energía provocadas por el ser humano para su
aprovechamiento tecnológico. Así, en estos momentos, la energía constituye la
base del desarrollo y es imprescindible en las actividades que conforman
nuestra civilización: el transporte, la producción industrial, las actividades
comerciales, las explotaciones agrarias o ganaderas, el funcionamiento del
sector servicios y la vida familiar y social.
1.1
Definición de energía.
Desde el punto de vista científico, podemos definir la energía como una propiedad de los cuerpos, capaz de producir transformaciones en ellos mismos o en otros cuerpos, o bien la capacidad de realizar un trabajo. Un cuerpo posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre él. La energía , pues, tiene dos estados posibles:
- cinético o actual, cuando el cuerpo está produciendo un trabajo
- potencial o latente, en el cual el cuerpo tiene capacidad para desarrollar ese trabajo
Un factor importante a tener en cuenta en las transformaciones de energía es el rendimiento, ya que en cualquier sistema de transformación de energía se producen pérdidas (energía no aprovechable, generalmente, calor) que se han de minimizar.
Durante
mucho tiempo, las únicas fuentes de energía fueron la masa muscular del hombre
o de los animales y la fuerza del viento o del agua. En el s. XVII se añadió a
estas el carbón, y en el s. XIX aparecieron el petróleo, el gas natural y la
energía hidroeléctrica; finalmente, en el s. XX, la energía nuclear.
Las
principales formas de energía susceptibles de aprovechamiento tecnológico
son las siguientes:
-
ENERGÍA ELÉCTRICA
La energía eléctrica es la capacidad que tienen los cuerpos
para producir un trabajo, por medio de la electricidad o corriente eléctrica.
Ésta consiste en el desplazamiento de los electrones a través de un conductor.
En la actualidad, es el sistema de alimentación energético
de nuestras viviendas, ya que es versátil, de fácil generación y transporte, y
no produce residuos. Como inconveniente, no es almacenable.
-
ENERGÍA TÉRMICA O
CALORÍFICA
La energía térmica es la energía producida por los efectos
del calor en los cuerpos.
Así, en las calderas de vapor el agua se calienta hasta su
evaporación y es enviada a una turbina, donde se produce el trabajo traducido
en los movimientos de una turbina.
-
ENERGÍA QUÍMICA
La energía química es la energía que se genera por la
combustión química, en la que se combina oxígeno con la materia del cuerpo que
arde. Durante la combustión se produce luz y calor, que se aprovecha para
producir un trabajo.
La mayor parte de la energía que se consume proviene de la
energía química almacenada en los combustibles fósiles: carbón, petróleo y sus
derivados, gas natural, ... Estos son recursos energéticos no renovables, y la
mayoría tiene un alto poder contaminante, por tanto en la actualidad se ha
tendido a desarrollar la energía
renovable.
-
ENERGÍA MECÁNICA
La energía mecánica es la energía generada a partir de la
transformación de la energía cinética de un cuerpo al chocar contra otro. Y
depende básicamente de la velocidad del cuerpo en movimiento. Un ejemplo típico
es el martillo-pilón, con el cual se comprimen piezas de grandes dimensiones.
-
ENERGÍA NUCLEAR
Es una fuente de energía joven que se ha desarrollado
rápidamente desde los años 80.
La energía nuclear se puede obtener de dos formas:
·
Fisión: Es la forma en
la que se obtiene energía en las actuales centrales nucleares. Se bombardean
los núcleos de los átomos del combustible nuclear (uranio enriquecido,
plutonio), entonces estos se rompen liberando una gran cantidad de energía.
La principal ventaja de esta energía es su rendimiento, así
la fisión del uranio tiene un rendimiento energético 52,5 millones de veces
superior al obtenido por la combustión de la misma masa de carbón. Como
inconveniente, los residuos generados son altamente tóxicos.
·
Fusión: Consiste en la
liberación de una gran cantidad de energía a partir de la fusión artificial de
los núcleos de dos átomos ligeros para obtener uno más pesado, de helio. Se
trata todavía de una tecnología en vías de desarrollo, ya que es necesaria
energía para comenzar el ciclo de desarrollo.
1.3
Producción de las distintas formas de energía.
-
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA
ELÉCTRICA
Aunque la electricidad existe en la Naturaleza, en
fenómenos como los rayos, no es aprovechable por el ser humano. Sin embargo, el
hombre ha desarrollado aparatos capaces de producir electricidad:
·
Pilas, que mediante una reacción química en su interior generan
la corriente eléctrica.
·
Generadores, que consiguen la corriente eléctrica haciendo girar una
bobina de hilo de cobre, montada en un eje, entre los polos positivo y negativo
de un imán.
En las centrales eléctricas, se reproduce a escala el mecanismo del generador pero invirtiendo sus elementos: se rota un campo magnético (elemento móvil al que se denomina rotor) a través de una bobina de cobre (a la que se denomina estator), entonces se produce una tensión.
Existen tres tipos de centrales eléctricas:
·
Centrales hidroeléctricas
La producción de electricidad en una central hidroeléctrica se basa en la siguiente idea: una masa de agua almacenada a cierta altura posee una energía potencial en función de esa altura. Si se deja caer esta masa de agua desde dicha altura a un nivel inferior se genera un energía cinética equivalente a dicha energía potencial.
Es decir, se cumple el principio de conservación de la energía:
Ec(0)+Ep(0)=Ec(t)+Ep(t)
La energía mecánica de un objeto (suma de la energía potencial más cinética) es constante en todos los puntos de su trayectoria. Donde: La energía cinética Ec depende de la masa y la velocidad del objeto según la ecuación: Ec = (1/2)mv2, donde m es la masa del objeto y v2 la velocidad del mismo elevada al cuadrado. Y la energía potencial Ep se derivar de la ecuación: Ep = (ma)d, donde a es la aceleración de la masa m y d es la distancia a lo largo de la cual se acelera.
Así a la energía de esta forma generada, se le denomina energía hidráulica.
Existen diferentes tipos de centrales hidroeléctricas , en función de la altura del salto de agua y de su capacidad:
§
Centrales de caída o de montaña, se
caracterizan por un gran salto para pequeños caudales. Son centrales de poca
potencia que se emplean para cubrir las horas punta de consumo.
§
Centrales de hiperembalse o de lago, se
caracterizan por una gran capacidad de almacenaje para acumular agua, que será
necesaria en épocas de sequía.
§
Centrales de pequeño salto, se
caracterizan por producir gran cantidad de potencia debido a la gran cantidad
de agua que circula por ellas. No disponen de gran capacidad de almacenamiento.
§ Centrales de presa, son la más habituales y más diversas. El salto generado puede variar entre los 40 y 200 metros, y también varía el caudal almacenado.
·
Centrales termoeléctricas
Surgen debido a las escasa lluvias, que hacen que las centrales hidroeléctricas tengan muy limitada su producción.
El principio de funcionamiento consiste en hervir grandes cantidades de agua, utilizando combustibles fósiles (centrales termoeléctricas de carbón, de gas,...), o bien la fisión del uranio (central nuclear), para obtener vapor que mueva una turbina. Esta turbina pone en movimiento el magneto del generador.
Estas centrales son poco flexibles y han de trabajar en base de carga, es decir, producen continuamente la mayor cantidad de energía posible.
·
Centrales nucleares
Como vimos en el apartado anterior una central nuclear es
una central termoeléctrica en la que se emplea la energía liberada por la
fisión del uranio enriquecido para
calentar grandes cantidades de agua.
El uranio se encuentra en una vasija herméticamente
cerrada, y su núcleo es bombardeado hasta producirse su fisión liberándose gran
cantidad de calor. Este calor se aprovecha para producir el vapor de agua que
va a la turbina y mueve el rotor, generando energía eléctrica.
- PRODUCCIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA O CALORÍFICA
La energía térmica es la energía liberada en forma de calor.
Se produce sobretodo en las calderas, mediante la combustión de algún combustible fósil (petróleo, gas natural o carbón), pero también se obtiene de la naturaleza (energía geotérmica), mediante electricidad por efecto Joule, por rozamiento, por un proceso de fisión nuclear o como residuo de otros procesos mecánicos o químicos.
El 60% de la energía primaria consumida se transforma en calor y se utiliza de tal forma. La energía así obtenida se aprovecha directamente, para calefacción (estufas), obtención de agua caliente (calderas) y refrigeración (refrigeración por absorción). En estos casos, la energía térmica puede provenir de procesos de combustión, de fuentes naturales (sol, geotérmica), de la energía eléctrica o del aprovechamiento de calor residual de procesos industriales.
La energía térmica también se
puede aprovechar en un motor térmico; en el caso de la energía nuclear
para la generación de energía eléctrica, y en el caso de la
combustión, además, para obtener trabajo, como en los motores de los automóviles
o de los aviones.
-
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA
MECÁNICA
La energía mecánica se produce en mecanismos o máquinas en
las que sus partes cumplen el principio de conservación de la energía, ya que
la energía mecánica es la suma de energía cinética y potencial de un
cuerpo.
1.4
Transformación de las distintas formas de energía.
Como hemos visto, existen diversas formas de energía: energía mecánica, eléctrica, lumínica, acústica, ..., de las cuales la más utilizada es la energía eléctrica. Hay tres tipos de energía eléctrica, que son: corriente estática (el rayo), corriente continua (las baterías) y la corriente alterna (la que llega a nuestras casas). Nos damos cuenta, entonces que es necesario modificar o transformar las formas de energía para adecuarlas a nuestras necesidades. Así, podemos definir transformación de energía a todo paso de una energía a otra.
Para la transformación de energía se han de tener en cuenta algunos puntos básicos:
En definitiva, se trata de obtener una solución de compromiso entre la economía y el rendimiento del sistema.
-
TRANSFORMACIÓN DE LA
ENERGÍA ELÉCTRICA
La energía eléctrica es fácilmente transformable en otras
formas de energía. Ejemplos:
· se convierte en energía mecánica: en una maquinilla de afeitar, los molinillos de café, ventiladores, el ‘starter’ del coche, los motores de las fábricas, de los tranvías, de las locomotoras eléctricas, ...
Así, se define
como motor eléctrico la máquina que nos permite convertir una energía eléctrica en energía
mecánica. En los motores eléctricos, la
transformación de energía se funda en los efectos de la inducción
electromagnética. Inducción
es la generación de una corriente
eléctrica en un conductor en movimiento en el interior de un campo magnético
físico. Para conseguir un movimiento de rotación continuado es necesario
que en cada media vuelta se invierta el sentido de la corriente que circula por
la bobina, con lo que el nuevo par actuando en el sentido del movimiento
provoca la siguiente media vuelta y así sucesivamente. Aun cuando en la
posición de la bobina perpendicular a las líneas de fuerza el momento es nulo,
dicha orientación es sobrepasada debido a la inercia de la bobina en
movimiento, lo que permite que el nuevo par entre en acción. Existen dos
tipos de motores eléctricos, según sea la corriente continua o alterna.
§ Motor de corriente continua: Está compuesto de un estator y un rotor. En muchos motores c.c., generalmente los más pequeños, el estator está compuesto de imanes para crear un campo magnético. En motores c.c. más grandes este campo magnético se logra con devanados de excitación de campo. El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor y está compuesto de arrollados de cable conductores de corriente continua. Esta corriente continua es suministrada al rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de carbón. El elemento conmutador encargado de invertir en cada media vuelta el sentido de la corriente eléctrica que circula por la bobina, está formado por dos piezas semicilíndricas o delgas, aisladas eléctricamente entre sí, solidarias al rotor y en contacto con unas varillas de grafito o escobillas, cuya misión es mantener el paso de la corriente del generador a la bobina. Con frecuencia el campo magnético es producido por un electroimán alimentado también por corriente eléctrica.
§
Motor de corriente alterna: La corriente
alterna, que es la empleada habitualmente para usos domésticos e
industriales, se caracteriza porque invierte su sentido de modo alternativo a
razón de 50 veces por segundo, lo cual hace innecesario el conmutador. Por tal
motivo, los motores que funcionan con corriente alterna disponen de unos
anillos colectores completos y no partidos en dos mitades aisladas como en los
motores de corriente continua. Su velocidad de rotación está limitada, en este
caso, por la frecuencia de la corriente que los alimenta.
·
se convierte en calor
por medio de una resistencia: por ejemplo, en las planchas, las lámparas de IR,
los secadores de cabello y de pintura, las estufas eléctricas,... Para producir
calor sencillamente se aprovecha la Ley de Ohm. Así en las pérdidas se
disipan en la resistencia en forma de calor.
·
Se convierte en luz:
en lámparas de neón y fluorescentes (excitando la fluorescencia de un gas), en
lámparas de vapor (excitando el vapor de un metal), en proyectores de cine (por
arco voltaico entre dos barras de carbón), en las bombillas en las que
simplemente se hace pasar la corriente por una resistencia que se pone
incandescente al calentarse, pero que no se funde al estar encerrada en una
cápsula que contiene un gas inerte.
-
TRANSFORMACIÓN DE LA
ENERGÍA TÉRMICA O CALORÍFICA
La energía térmica permite múltiples conversiones:
·
genera energía mecánica:
En función de si la producción de calor se da dentro o
fuera de la máquina térmica podemos distinguir entonces dos tipos de motores:
de combustión externa o interna, y a su vez se pueden subdividir según la
caracterización cinemática su movimiento:
§
Motores de combustión externa
con movimiento alternativo: máquinas de vapor alternativos, o de
cilindro y émbolo
§
Motores de combustión externa
con movimiento circular: turbina de vapor
§
Motores de combustión interna
con movimiento alternativo: motores de explosión, diesel
§
Motores de combustión interna
con movimiento circular continuo: turbinas de gas
Es interesante plantearse de donde procede esta energía
térmica que estamos transformando en mecánica, en la mayoría de casos procede
de la energía química, de forma que por combustión pasa química a térmica, y
por transformación termodinámica de térmica a mecánica.
·
permite obtener
energía eléctrica:
§
Los efectos
termoiónicos y termoeléctricos permiten la obtención de electricidad, pero los
rendimientos son todavía muy bajos y no resultan rentables. En un futuro, con
el aumento del precio de los combustibles puede ser que llegue a ser rentable
invertir en este tipo de tecnología.
§
Los generadores
magneto-hidrodinámicos también permiten la obtención de energía eléctrica, si
bien es necesaria una temperatura muy elevada, por lo cual solo se consigue
esta energía térmica de elevada temperatura mediante energía nuclear.
El funcionamiento de un generador magneto-hidrodinámico se
basa en el aprovechamiento de la energía mecánica de un gas ionizado a alta
temperatura a través de un campo magnético perpendicular a la dirección del
desplazamiento. El fluid ionizado se denomina plasma, y está compuestos por
partículas cargadas a alta velocidad. Pero, para obtener estas elevadas
velocidades es necesario recalentar el gas hasta obtener la excitación térmica,
ya que una vez que el gas ionizado ha atravesado el campo magnético pierde
parte de su energía mecánica.
-
TRANSFORMACIÓN DE LA
ENERGÍA QUÍMICA
Algunos ejemplos de esta transformación son:
·
La conversión a
energía mecánica para realizar movimientos en los seres vivos.
·
La transformación en
energía eléctrica en una pila galvánica.
·
Pero, por su sencillez
se usa habitualmente la combustión química para obtener energía térmica.
Se combina oxígeno con el combustible que se lleva a su punto de ignición, y se
libera la energía contenida en los enlaces de valencia.
-
TRANSFORMACIÓN DE LA
ENERGÍA MECÁNICA
Son fuentes de energía mecánica la eólica, maremotriz,
hidráulica,... Éstas permiten obtener:
·
energía térmica,
mediante una máquina frigorífica
·
energía eléctrica,
mediante una máquina electromecánica (alternador).
·
incluso, de nuevo,
energía mecánica, como por ejemplo un molino.
Si observamos el primer caso, el de la máquina frigorífica,
los compresores de tipo centrífugo que posee son accionados por turbinas
impulsadas por vapor. Éste vapor se origina por combustión química. Así, vemos
que pasamos de energía química a térmica, de térmica a mecánica, y de mecánica
de nuevo a térmica. De esta forma, conseguimos mejorar el rendimiento, ya que
la energía térmica que conseguimos es por absorción de calor, produciendo frío
simultáneamente, en cambio en el primer paso solo obtenemos calor.
-
TRANSFORMACIÓN DE LA
ENERGÍA NUCLEAR
Hay dos métodos para transformar la energía nuclear en
térmica:
·
Fisión nuclear
Es la reacción en la que un núcleo pesado es bombardeado
con neutrones y se descompone en dos núcleos. Uno de ellos queda de masa
aproximadamente la mitad, con gran desprendimiento de energía, y la emisión de
dos o tres neutrones.
Éstos, a su vez, pueden ocasionar más fisiones, que
emitirán nuevos neutrones y así sucesivamente si la constante de multiplicación
es mayor que 1. Este efecto multiplicador se conoce como reacción en cadena. Se
trata entonces de obtener una reacción controlada, de forma que solo unos de
los neutrones generados produzca una fisión posterior, entonces tenemos un
número constante de fisiones por segundo.
Las reacciones nucleares se producen a una gran velocidad y
se obtiene mucha más energía que, por ejemplo, con las reacciones químicas.
·
Fusión nuclear
Es la reacción en la que dos núcleos muy ligeros se unen
para formar un núcleo más pesado y estable, con gran desprendimiento de
energía.
Para que tenga lugar la fusión, los núcleos cargados
positivamente, deben aproximarse, venciendo las fuerzas electrostáticas de
repulsión. La energía cinética necesaria para que los núcleos que reaccionan
venzan las interacciones se puede suministrar
en forma de energía térmica o
utilizando un acelerador de partículas.
La solución más viable es la fusión térmica. Se producen
reacciones termonucleares en los reactores de fusión, fundamentalmente con los
isótopos de hidrógeno:
Protio
Deuterio Tritio
Posibles reacciones
nucleares de fusión:
Para conseguir estas
reacciones se han de conseguir dos objetivos:
§
Calentar el gas, para
que los electrones salgan de sus órbitas y los núcleos puedan ser controlados
por un campo magnético.
§
Confinar la materia
para mantenerla en estado de plasma o gas ionizado, encerrada en la cavidad del
reactor el tiempo suficiente para que pueda reaccionar.
Este tipo de reacciones son muy atractivas como fuente de
energía. El deuterio no es reactivo y se encuentra en abundancia en la
naturaleza, el tritio no se presenta de manera natural y además, es
radioactivo. Pero, las investigaciones se centran en reacciones de fusión
deuterio-tritio, debido a que liberan mayor energía y que la temperatura a la
que se produce la fusión es considerablemente menor.