Tema 1

Producci�n y transformaci�n de las diferentes formas de energ�a.

Introducci�n.

Por definici�n, la energ�a es la virtud para obrar o producir un efecto. No obstante, el concepto de energ�a no es f�cil de comprender, ya que la energ�a solo se pone de manifiesto cuando pasa de unos cuerpos a otros, es decir, cuando se transforma.

Continuamente se producen transformaciones de energ�a en la Naturaleza: la energ�a que recibimos del Sol transforma en agua la nieve de las monta�as, 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 energ�a en la Naturaleza, son las transformaciones de energ�a provocadas por el ser humano para su aprovechamiento tecnol�gico. As�, en estos momentos, la energ�a constituye la base del desarrollo y es imprescindible en las actividades que conforman nuestra civilizaci�n: el transporte, la producci�n industrial, las actividades comerciales, las explotaciones agrarias o ganaderas, el funcionamiento del sector servicios y la vida familiar y social.

1.1 Definici�n de energ�a.

Desde el punto de vista cient�fico, podemos definir la energ�a 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 energ�a como resultado de su movimiento o de su posici�n en relaci�n con las fuerzas que act�an sobre �l. La energ�a , pues, tiene dos estados posibles:

- cin�tico o actual, cuando el cuerpo est� 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 energ�a es el rendimiento, ya que en cualquier sistema de transformaci�n de energ�a se producen p�rdidas (energ�a no aprovechable, generalmente, calor) que se han de minimizar.

1.2 Formas de energ�a.

Durante mucho tiempo, las �nicas fuentes de energ�a fueron la masa muscular del hombre o de los animales y la fuerza del viento o del agua. En el s. XVII se a�adi� a estas el carb�n, y en el s. XIX aparecieron el petr�leo, el gas natural y la energ�a hidroel�ctrica; finalmente, en el s. XX, la energ�a nuclear.

Las principales formas de energ�a susceptibles de aprovechamiento tecnol�gico son las siguientes:

- ENERG�A EL�CTRICA

La energ�a el�ctrica es la capacidad que tienen los cuerpos para producir un trabajo, por medio de la electricidad o corriente el�ctrica. �sta consiste en el desplazamiento de los electrones a trav�s de un conductor.

En la actualidad, es el sistema de alimentaci�n energ�tico de nuestras viviendas, ya que es vers�til, de f�cil generaci�n y transporte, y no produce residuos. Como inconveniente, no es almacenable.

- ENERG�A T�RMICA O CALOR�FICA

La energ�a t�rmica es la energ�a producida por los efectos del calor en los cuerpos.

As�, en las calderas de vapor el agua se calienta hasta su evaporaci�n y es enviada a una turbina, donde se produce el trabajo traducido en los movimientos de una turbina.

- ENERG�A QU�MICA

La energ�a qu�mica es la energ�a que se genera por la combusti�n qu�mica, en la que se combina ox�geno con la materia del cuerpo que arde. Durante la combusti�n se produce luz y calor, que se aprovecha para producir un trabajo.

La mayor parte de la energ�a que se consume proviene de la energ�a qu�mica almacenada en los combustibles f�siles: carb�n, petr�leo y sus derivados, gas natural, ... Estos son recursos energ�ticos no renovables, y la mayor�a tiene un alto poder contaminante, por tanto en la actualidad se ha tendido� a desarrollar la energ�a renovable.

- ENERG�A MEC�NICA

La energ�a mec�nica es la energ�a generada a partir de la transformaci�n de la energ�a cin�tica de un cuerpo al chocar contra otro. Y depende b�sicamente de la velocidad del cuerpo en movimiento. Un ejemplo t�pico es el martillo-pil�n, con el cual se comprimen piezas de grandes dimensiones.

- ENERG�A NUCLEAR

Es una fuente de energ�a joven que se ha desarrollado r�pidamente desde los a�os 80.

La energ�a nuclear se puede obtener de dos formas:

� Fisi�n: Es la forma en la que se obtiene energ�a en las actuales centrales nucleares. Se bombardean los n�cleos de los �tomos del combustible nuclear (uranio enriquecido, plutonio), entonces estos se rompen liberando una gran cantidad de energ�a.

La principal ventaja de esta energ�a es su rendimiento, as� la fisi�n del uranio tiene un rendimiento energ�tico 52,5 millones de veces superior al obtenido por la combusti�n de la misma masa de carb�n. Como inconveniente, los residuos generados son altamente t�xicos.

� Fusi�n: Consiste en la liberaci�n de una gran cantidad de energ�a a partir de la fusi�n artificial de los n�cleos de dos �tomos ligeros para obtener uno m�s pesado, de helio. Se trata todav�a de una tecnolog�a en v�as de desarrollo, ya que es necesaria energ�a para comenzar el ciclo de desarrollo.

1.3 Producci�n de las distintas formas de energ�a.

- PRODUCCI�N DE ENERG�A EL�CTRICA

Aunque la electricidad existe en la Naturaleza, en fen�menos 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 reacci�n qu�mica en su interior generan la corriente el�ctrica.

� Generadores, que consiguen la corriente el�ctrica haciendo girar una bobina de hilo de cobre, montada en un eje, entre los polos positivo y negativo de un im�n.

En las centrales el�ctricas, se reproduce a escala el mecanismo del generador pero invirtiendo sus elementos: se rota un campo magn�tico (elemento m�vil al que se denomina rotor) a trav�s de una bobina de cobre (a la que se denomina estator), entonces se produce una tensi�n.

Existen tres tipos de centrales el�ctricas:

� Centrales hidroel�ctricas

La producci�n de electricidad en una central hidroel�ctrica se basa en la siguiente idea: una masa de agua almacenada a cierta altura posee una energ�a potencial en funci�n de esa altura. Si se deja caer esta masa de agua desde dicha altura a un nivel inferior se genera un energ�a cin�tica equivalente a dicha energ�a potencial.

Es decir, se cumple el principio de conservaci�n de la energ�a:

Ec(0)+Ep(0)=Ec(t)+Ep(t)

La energ�a mec�nica de un objeto (suma de la energ�a potencial m�s cin�tica) es constante en todos los puntos de su trayectoria. Donde: La energ�a cin�tica Ec depende de la masa y la velocidad del objeto seg�n la ecuaci�n: Ec = (1/2)mv², donde m es la masa del objeto y v² la velocidad del mismo elevada al cuadrado. Y la energ�a potencial Ep se derivar de la ecuaci�n:� Ep = (ma)d, donde a es la aceleraci�n de la masa m y d es la distancia a lo largo de la cual se acelera.

As� a la energ�a de esta forma generada, se le denomina energ�a hidr�ulica.

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Existen diferentes tipos de centrales hidroel�ctricas , en funci�n de la altura del salto de agua y de su capacidad:

� Centrales de ca�da o de monta�a, se caracterizan por un gran salto para peque�os 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 ser� necesaria en �pocas de sequ�a.

� Centrales de peque�o 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 m�s habituales y m�s diversas. El salto generado puede variar entre los 40 y 200 metros, y tambi�n var�a el caudal almacenado.

� Centrales termoel�ctricas

Surgen debido a las escasa lluvias, que hacen que las centrales hidroel�ctricas tengan muy limitada su producci�n.

El principio de funcionamiento consiste en hervir grandes cantidades de agua, utilizando combustibles f�siles (centrales termoel�ctricas de carb�n, de gas,...), o bien la fisi�n 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 energ�a posible.

� Centrales nucleares

Como vimos en el apartado anterior una central nuclear es una central termoel�ctrica en la que se emplea la energ�a liberada por la fisi�n del uranio enriquecido� para calentar grandes cantidades de agua.

El uranio se encuentra en una vasija herm�ticamente cerrada, y su n�cleo es bombardeado hasta producirse su fisi�n liber�ndose gran cantidad de calor. Este calor se aprovecha para producir el vapor de agua que va a la turbina y mueve el rotor, generando energ�a el�ctrica.

- PRODUCCI�N DE ENERG�A T�RMICA O CALOR�FICA

La energ�a t�rmica es la energ�a liberada en forma de calor.

Se produce sobretodo en las calderas, mediante la combusti�n de alg�n combustible f�sil (petr�leo, gas natural o carb�n), pero tambi�n se obtiene de la naturaleza (energ�a geot�rmica), mediante electricidad por efecto Joule, por rozamiento, por un proceso de fisi�n nuclear o como residuo de otros procesos mec�nicos o qu�micos.

El 60% de la energ�a primaria consumida se transforma en calor y se utiliza de tal forma. La energ�a as� obtenida se aprovecha directamente, para calefacci�n (estufas), obtenci�n de agua caliente (calderas) y refrigeraci�n (refrigeraci�n por absorci�n). En estos casos, la energ�a t�rmica puede provenir de procesos de combusti�n, de fuentes naturales (sol, geot�rmica), de la energ�a el�ctrica o del aprovechamiento de calor residual de procesos industriales.

La energ�a t�rmica tambi�n se puede aprovechar en un motor t�rmico; en el caso de la energ�a nuclear para la generaci�n de energ�a el�ctrica, y en el caso de la combusti�n, adem�s, para obtener trabajo, como en los motores de los autom�viles o de los aviones.

- PRODUCCI�N DE ENERG�A MEC�NICA

La energ�a mec�nica se produce en mecanismos o m�quinas en las que sus partes cumplen el principio de conservaci�n de la energ�a, ya que la energ�a mec�nica es la suma de energ�a cin�tica y potencial de un cuerpo.�

1.4 Transformaci�n de las distintas formas de energ�a.

Como hemos visto, existen diversas formas de energ�a: energ�a mec�nica, el�ctrica, lum�nica, ac�stica, ..., de las cuales la m�s utilizada es la energ�a el�ctrica. Hay tres tipos de energ�a el�ctrica, que son: corriente est�tica (el rayo), corriente continua (las bater�as) y la corriente alterna (la que llega a nuestras casas). Nos damos cuenta, entonces que es necesario modificar o transformar las formas de energ�a para adecuarlas a nuestras necesidades. As�, podemos definir transformaci�n de energ�a a todo paso de una energ�a a otra.

Para la transformaci�n de energ�a se han de tener en cuenta algunos puntos b�sicos:

• La energ�a no se puede ni crear ni destruir, solo se puede transformar de un tipo de energ�a a otro. Por ejemplo, la energ�a el�ctrica (corriente alterna) que nos llega a nuestras casas, la transformamos en energ�a calor�fica por medio de los discos de la cocina, energ�a lum�nica en las bombillas, etc.
• La transformaci�n de energ�a es, en general, reversible.
• La transformaci�n de energ�a se caracteriza por una magnitud denominada rendimiento, la cual da idea de las p�rdidas que aparecen en el proceso de conversi�n. Existe un l�mite en el que las p�rdidas no pueden disminuir.

En definitiva, se trata de obtener una soluci�n de compromiso entre la econom�a y el rendimiento del sistema.

- TRANSFORMACI�N DE LA ENERG�A EL�CTRICA

La energ�a el�ctrica es f�cilmente transformable en otras formas de energ�a. Ejemplos:

� se convierte en energ�a mec�nica: en una maquinilla de afeitar, los molinillos de caf�, ventiladores, el �starter� del coche, los motores de las f�bricas, de los tranv�as, de las locomotoras el�ctricas, ...

As�, se define como motor el�ctrico la m�quina que nos permite convertir una energ�a el�ctrica en energ�a mec�nica. En los motores el�ctricos, la transformaci�n de energ�a se funda en los efectos de la inducci�n electromagn�tica. Inducci�n es la generaci�n de una corriente el�ctrica en un conductor en movimiento en el interior de un campo magn�tico f�sico. Para conseguir un movimiento de rotaci�n 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 as� sucesivamente. Aun cuando en la posici�n de la bobina perpendicular a las l�neas de fuerza el momento es nulo, dicha orientaci�n es sobrepasada debido a la inercia de la bobina en movimiento, lo que permite que el nuevo par entre en acci�n. Existen dos tipos de motores el�ctricos, seg�n sea la corriente continua o alterna.

� Motor de corriente continua: Est� compuesto de un estator y un rotor. En muchos motores c.c., generalmente los m�s peque�os, el estator est� compuesto de imanes para crear un campo magn�tico. En motores c.c. m�s grandes este campo magn�tico se logra con devanados de excitaci�n de campo. El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor y est� compuesto de arrollados de cable conductores de corriente continua. Esta corriente continua es suministrada al rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de carb�n. El elemento conmutador encargado de invertir en cada media vuelta el sentido de la corriente el�ctrica que circula por la bobina, est� formado por dos piezas semicil�ndricas o delgas, aisladas el�ctricamente entre s�, solidarias al rotor y en contacto con unas varillas de grafito o escobillas, cuya misi�n es mantener el paso de la corriente del generador a la bobina. Con frecuencia el campo magn�tico es producido por un electroim�n alimentado tambi�n por corriente el�ctrica.

� Motor de corriente alterna: La corriente alterna, que es la empleada habitualmente para usos dom�sticos e industriales, se caracteriza porque invierte su sentido de modo alternativo a raz�n 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 rotaci�n est� 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 l�mparas de IR, los secadores de cabello y de pintura, las estufas el�ctricas,... Para producir calor sencillamente se aprovecha la Ley de Ohm. As� en las p�rdidas se disipan en la resistencia en forma de calor.

� Se convierte en luz: en l�mparas de ne�n y fluorescentes (excitando la fluorescencia de un gas), en l�mparas de vapor (excitando el vapor de un metal), en proyectores de cine (por arco voltaico entre dos barras de carb�n), 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 c�psula que contiene un gas inerte.

- TRANSFORMACI�N DE LA ENERG�A T�RMICA O CALOR�FICA

La energ�a t�rmica permite m�ltiples conversiones:

� genera energ�a mec�nica:

En funci�n de si la producci�n de calor se da dentro o fuera de la m�quina t�rmica podemos distinguir entonces dos tipos de motores: de combusti�n externa o interna, y a su vez se pueden subdividir seg�n la caracterizaci�n cinem�tica su movimiento:

� Motores de combusti�n externa con movimiento alternativo: m�quinas de vapor alternativos, o de cilindro y �mbolo

� Motores de combusti�n externa con movimiento circular: turbina de vapor

� Motores de combusti�n interna con movimiento alternativo: motores de explosi�n, diesel

� Motores de combusti�n interna con movimiento circular continuo: turbinas de gas

Es interesante plantearse de donde procede esta energ�a t�rmica que estamos transformando en mec�nica, en la mayor�a de casos procede de la energ�a qu�mica, de forma que por combusti�n pasa qu�mica a t�rmica, y por transformaci�n termodin�mica de t�rmica a mec�nica.

� permite obtener energ�a el�ctrica:

� Los efectos termoi�nicos y termoel�ctricos permiten la obtenci�n de electricidad, pero los rendimientos son todav�a 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 tecnolog�a.

� Los generadores magneto-hidrodin�micos tambi�n permiten la obtenci�n de energ�a el�ctrica, si bien es necesaria una temperatura muy elevada, por lo cual solo se consigue esta energ�a t�rmica de elevada temperatura mediante energ�a nuclear.

El funcionamiento de un generador magneto-hidrodin�mico se basa en el aprovechamiento de la energ�a mec�nica de un gas ionizado a alta temperatura a trav�s de un campo magn�tico perpendicular a la direcci�n del desplazamiento. El fluid ionizado se denomina plasma, y est� compuestos por part�culas cargadas a alta velocidad. Pero, para obtener estas elevadas velocidades es necesario recalentar el gas hasta obtener la excitaci�n t�rmica, ya que una vez que el gas ionizado ha atravesado el campo magn�tico pierde parte de su energ�a mec�nica.

- TRANSFORMACI�N DE LA ENERG�A QU�MICA

Algunos ejemplos de esta transformaci�n son:

� La conversi�n a energ�a mec�nica para realizar movimientos en los seres vivos.

� La transformaci�n en energ�a el�ctrica en una pila galv�nica.

� Pero, por su sencillez se usa habitualmente la combusti�n qu�mica para obtener energ�a t�rmica. Se combina ox�geno con el combustible que se lleva a su punto de ignici�n, y se libera la energ�a contenida en los enlaces de valencia.

- TRANSFORMACI�N DE LA ENERG�A MEC�NICA

Son fuentes de energ�a mec�nica la e�lica, maremotriz, hidr�ulica,...� �stas permiten obtener:

� energ�a t�rmica, mediante una m�quina frigor�fica

� energ�a el�ctrica, mediante una m�quina electromec�nica (alternador).

� incluso, de nuevo, energ�a mec�nica, como por ejemplo un molino.

Si observamos el primer caso, el de la m�quina frigor�fica, los compresores de tipo centr�fugo que posee son accionados por turbinas impulsadas por vapor. �ste vapor se origina por combusti�n qu�mica. As�, vemos que pasamos de energ�a qu�mica a t�rmica, de t�rmica a mec�nica, y de mec�nica de nuevo a t�rmica. De esta forma, conseguimos mejorar el rendimiento, ya que la energ�a t�rmica que conseguimos es por absorci�n de calor, produciendo fr�o simult�neamente, en cambio en el primer paso solo obtenemos calor.

- TRANSFORMACI�N DE LA ENERG�A NUCLEAR

Hay dos m�todos para transformar la energ�a nuclear en t�rmica:

� Fisi�n nuclear

Es la reacci�n en la que un n�cleo pesado es bombardeado con neutrones y se descompone en dos n�cleos. Uno de ellos queda de masa aproximadamente la mitad, con gran desprendimiento de energ�a, y la emisi�n de dos o tres neutrones.

�stos, a su vez, pueden ocasionar m�s fisiones, que emitir�n nuevos neutrones y as� sucesivamente si la constante de multiplicaci�n es mayor que 1. Este efecto multiplicador se conoce como reacci�n en cadena. Se trata entonces de obtener una reacci�n controlada, de forma que solo unos de los neutrones generados produzca una fisi�n posterior, entonces tenemos un n�mero constante de fisiones por segundo.

Las reacciones nucleares se producen a una gran velocidad y se obtiene mucha m�s energ�a que, por ejemplo, con las reacciones qu�micas.

� Fusi�n nuclear

Es la reacci�n en la que dos n�cleos muy ligeros se unen para formar un n�cleo m�s pesado y estable, con gran desprendimiento de energ�a.

Para que tenga lugar la fusi�n, los n�cleos cargados positivamente, deben aproximarse, venciendo las fuerzas electrost�ticas de repulsi�n. La energ�a cin�tica necesaria para que los n�cleos que reaccionan venzan las interacciones se puede suministrar� en forma de energ�a� t�rmica o utilizando un acelerador de part�culas.

La soluci�n m�s viable es la fusi�n t�rmica. Se producen reacciones termonucleares en los reactores de fusi�n, fundamentalmente con los is�topos de hidr�geno:

Protio� ���������������������������������������������� Deuterio��������������������������������� Tritio

����������������������� Posibles reacciones nucleares de fusi�n:

����������������������� Para conseguir estas reacciones se han de conseguir dos objetivos:

� Calentar el gas, para que los electrones salgan de sus �rbitas y los n�cleos puedan ser controlados por un campo magn�tico.

� 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 energ�a. El deuterio no es reactivo y se encuentra en abundancia en la naturaleza, el tritio no se presenta de manera natural y adem�s, es radioactivo. Pero, las investigaciones se centran en reacciones de fusi�n deuterio-tritio, debido a que liberan mayor energ�a y que la temperatura a la que se produce la fusi�n es considerablemente menor.