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Manifestaciones de la energía
1. La energía y sus formas
2. Transferencia de energía
3. La radiación solar
4. Transformación de la energía
5. Fuentes de energía
6. Conservación y degradación de la energía
7. Fuentes de energía no renovables
8. La energía eléctrica
9. Fuentes de energía renovables
10. Manifestaciones de la energía en la naturaleza
11. Situaciones de la vida en las que se pone de
manifiesto el intercambio de energía
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8Manifestaciones de la energía1. La energía y sus formas1.1. Fuerza y energía
ENERGIA
Propiedad o magnitud que se almacena en los objetos y en las sustancias y que se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza.
FUERZA
Magnitud resultado de la interacción entre dos objetos.
Si el efecto de la fuerza sobre un objeto es su movimiento, la intensidad de la fuerza (F) viene dada por la ecuación:
F = m · adonde a es la aceleración que adquiere el objeto de masa m.
P = m · gen el caso del peso de un objeto (P) donde g es el valor de referencia de la aceleración de la gravedad: g = 9,8 m/s2.
La unidad de fuerza en el Sistema Internacional de Unidades es el newton (N) que es el valor de la fuerza que aplicada a 1 kg de masa le proporciona una aceleración de 1 m/s2:
1 N = 1 kg · 1 m/s2.
8Manifestaciones de la energía1. La energía y sus formas1.1. Fuerza y energía
Clasificación de las fuerzas
Fuerzas por contacto
Fuerza de rozamiento: se opone al deslizamiento entre las superficies de dos objetos puestos en contacto.
Fuerza elástica: se pone de manifiesto al estirar un muelle otensar un arco.
Fuerzas a distancia
Fuerza nuclear: debida a la interacción existente en los núcleos de los átomos.
Peso o fuerza de la gravedad: originada por la interacción de la Tierra con un objeto de masa m, es siempre una fuerza atractiva.
Fuerza electromagnética: aparece entre las
partículas con carga eléctrica.
Fuerza electrostática: pone de manifiesto la naturaleza eléctrica de la materia. Es atractiva entre cargas de distinto signo en reposo y repulsiva entre cargas del mismo signo en reposo.
Fuerza magnética: actúa solamente sobrecargas eléctricas en movimiento.
8Manifestaciones de la energía1. La energía y sus formas1.2. Formas de energía
ENERGIA
La energía (E) es una magnitud cuya unidad en el SI es el julio (J).
Formas de energía
Energía mecánicaEstá ligada a la velocidad y/o a la posición de un objeto respecto de un sistema de referencia.
Energía térmicaLa energía que se transfiere de un sistema a otro en forma de calor.
Energía eléctricaSe pone de manifiesto en las interacciones eléctricas.
Energía nuclearEstá relacionada con las interacciones nucleares.
Energía químicaSe debe a la existencia de reacciones químicas de las sustancias químicas.
Energía electromagnéticaSe asocia con la interacción electromagnética y es proporcionada por la luz.
8Manifestaciones de la energía1. La energía y sus formas1.2. Formas de energía
Energía mecánica
Energía cinética(Ec)
La que puede alcanzar un objeto de masa m por el hecho de estar en movimiento al aplicarle una fuerza y alcanzar una velocidad v.
Energía potencial gravitatoria (Ep)
La que almacena un objeto de masa mdebido a su posición respecto de la Tierra, es decir, de su peso (P = m · g) situado a una altura h respecto del suelo tomado como referencia.
Ep = m · g · h
Energía potencial elástica (Ep,elástica)
La que almacena un objeto, como un muelle, por el hecho de estar deformado después de haberse estirado o comprimido.
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2cE m v
8 Manifestaciones de la energía2. Transferencia de energía
Formas de transferencia de la energía
Trabajo
Se transfiere en forma de trabajo (W) si se precisa del concurso de una fuerza que produce la deformación de un objeto y/o el movimiento del mismo.
El trabajo (W) realizado por una fuerza constante se calcula multiplicando el valor de la intensidad de la fuerza aplicada (F) en la dirección del movimiento por el desplazamiento originado (Δx):
W = F · Δx
La unidad de trabajo en el SI es el julio (J), que se define como el trabajo realizado por una fuerza igual a un newton (N) cuando su punto de aplicación se desplaza un metro (m) en la misma dirección y sentido que la propia fuerza:
1 J = 1 N · 1 m
8 Manifestaciones de la energía2. Transferencia de energía
Formas de transferencia de la energía
Calor
Modificación de la energía térmica como consecuencia de la variación de la temperatura del sistema material que intercambia energía o por la modificación de su estado de agregación. La unidad de calor (Q) en el SI es el julio (J). El calor se puede trasferir:Por conducción, cuando dos cuerpos que están a distinta temperatura entran en contacto.Por convección, mediante el desplazamiento de masa en los líquidos y gases de los puntos fríos a los calientes y viceversa.Por radiación electromagnética.
Ondas
Una onda es el resultado de la propagación de una perturbación mediante la transmisión de energía, pero sin transporte de materia. La frecuencia (f), se mide en s-1 e indica el número de repeticiones por unidad de tiempo del fenómeno ondulatorio que se transmite.
8 Manifestaciones de la energía2. Transferencia de energía
Formas de transferencia de la energía
Radiación
Emisión que puede ser el resultado de: radiación corpuscular, si se transmiten pequeñas partículas radiactivas que
se mueven a gran velocidad. radiación electromagnética, que es la energía propagada en forma de
ondas electromagnéticas, como la luz emitida por el Sol, que se propagan en el vacío a la velocidad c = 300 000 km/s.
Las distintas radiaciones electromagnéticas se diferencian entre sí por el valor de su frecuencia (f), y cuanto mayor sea esta, mayor será el valor de la energía asociada a la misma, pues:
E = h · f, donde h es la constante de Planck, de valor 6,63· 10-34 J · s.
Conjunto de radiaciones
electromagnéticas
8 Manifestaciones de la energía3. La radiación solar
Formas de transferencia de la energía
Radiación
El Sol emite radiación del conjunto de las radiaciones electromagnéticas, pero la radiación solar que llega a la atmósfera de la Tierra está formada fundamentalmente por radiación infrarroja, radiación visible (o luz que impresiona la retina de los ojos) y radiación ultravioleta.
La radiación visible o luz blanca es una mezcla de luces o radiaciones electromagnéticas de distintos colores, cada una de las cuales se caracteriza por su frecuencia específica.
Espectro lumínicoconjunto de las luces de colores contenidas en la luz blanca y ordenadas por orden de frecuencia.
8 Manifestaciones de la energía4. Trasformación de la energía
Siempre se ha tenido y aprovechado la energía que proporcionaba el Sol. Sin ellas no sería posible la vida sobre la Tierra.Disponer de energía es básico para el desarrollo y bienestar de un país. Cualquier forma de energía es importante para su aprovechamiento.
La energía está presente en cualquier actividad, y en los diferentes procesos se transforma de una forma de energía en otra. Mediante la transformación de la energía, un objeto actúa sobre otro, transformándolo y transformándose, y la energía pasa de un sistema material a otro en forma de trabajo, calor o radiación.
8 Manifestaciones de la energía5. Fuentes de energía
Es toda sustancia, objeto o fenómeno que pueda ayudar a realizar una actividad mediante el empleo de la energía, es decir, que tiene capacidad de generar energía.
Energía primaria
Se toma o extrae de la naturaleza, como en elcaso de un combustible nuclear (mineral de uranio) o de la luz solar. La radiación solar proporciona luz y calor y origina los vientos y el desarrollo de las plantas, que nos abastecen de alimentos.
Energía secundaria
Se obtiene a partir de la energía primaria y con ella se puede realizar una transformación útil en forma de trabajo, calor o radiación. Para poder tener utilidad, la energía secundaria debe mostrar facilidad en su transporte, distribución y aprovechamiento.Las más importantes son la energía eléctrica y la energía química almacenada en los combustibles fósiles.
8 Manifestaciones de la energía5. Fuentes de energía
No renovable Renovable
Se genera en procesos lentos, sus reservas son limitadas y disminuyen según se aprovechan.
Se genera en procesos continuos y, por tanto, inagotables.
El suministro depende en gran partede su importación de otros países.
Llegan a la Tierra de formadiscontinua y dispersa.
Afecto negativo en el medioambiente. Afecta poco al medioambiente.
Están tecnológicamente muy desarrolladas.
Están tecnológicamente pocodesarrolladas, excepto la hidráulica.
Su transformación es barata. Su transformación es aún cara.
Combustibles fósiles: Carbón, petróleo, gas natural.
Uranio, que libera energía en las reacciones nucleares.
Hidroeléctrica. Eólica. Solar. Biomasa. Geotérmica. Del mar: mareas, olas y corrientes.
8Manifestaciones de la energía6. Conservación y degradación de la energía6.1 Ley de conservación y degradación de la energía
La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma en otra; pero en cada transformación se degrada y pierde capacidad para seguir realizando nuevas transformaciones.
La energía mecánica se transforma fácilmente en trabajo y en otras formasde energía. Se puede intercambiar en su totalidad en forma de calor para aumentar la energía interna.
El calor es la forma de transferencia de energía con menor capacidad para realizar nuevas transformaciones, pues parte del mismo se degrada siempre y se transfiere al medio ambiente en forma no útil.
Energía disipada, consumida o de pérdidas: transferida en forma de calor con el ambiente que no puede seguir realizando nuevas transformaciones.
Existe degradación de energía cuando una energía de mayor calidad no se recupera totalmente a partir de otra energía de menor calidad.
La energía se degrada al adoptar una forma que resulta menos útil para realizar un trabajo. En todos los procesos en los que existe una transferencia de calor, la energía disponible para hacer un trabajo disminuye.
8Manifestaciones de la energía6. Conservación y degradación de la energía6.2 Rendimiento de cualquier transformación energética
Energía primaria:•Combustibles fósiles
•Nucleares•Fuentes renovables
Equipo transformador
Energía secundaria:•Derivados del petróleo
•Energía eléctrica
Energía útil:•Trabajo•Calor
•Iluminación
Equipo transformador
Energía degradada en forma de calor
Energía degradada en forma de calor
En una cadena o cascada energética la energía primaria se transforma en energía secundaria o intermedia, que es la que utiliza el consumidor.La característica fundamental de las energías intermedias es lafacilidad de su transporte y distribución.
energía útilrendimiento 100
energía total
8 Manifestaciones de la energía7. Fuentes de energía no renovables
Combustibles fósiles
Proporcionan energía en las reacciones químicas de su combustión.
Durante su combustión se producen, además de dióxido de carbono, gases no deseados (óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno).
Inciden negativamente en el medio ambiente: generan contaminación ambiental y efecto invernadero.
Energía nuclear
Procede de las reacciones nucleares del uranio. Se utiliza en las centrales nucleares para obtener vapor de agua que produce energía eléctrica.El uranio es un elemento químico que se encuentra en zonas de corteza.
Pequeñas cantidades de uranio producen muchísima energía eléctrica.
Riesgo muy elevado de contaminación por radiactividad en caso de accidente.
Produce residuos que deben ser almacenados durante miles de años.
Se requieren instalaciones especiales y la adopción de medidas de seguridad y control muy costosas para evitar que la radiactividad alcance el exterior.
8 Manifestaciones de la energía7. Fuentes de energía no renovables
Petróleo y gas natural
Tienen un origen similar, a partir de sedimentos orgánicos marinos acumulados en mares, protegidos de la descomposición por el oxígeno. Durante varios millones de años, se han transformado en hidrocarburos por la acción de bacterias anaerobias, la presión y la temperatura.
Petróleo Gas natural
Mezcla líquida de hidrocarburos. Refino es la separación por
destilación de los hidrocarburos. en distintas fracciones, origina: Gases, se licuan por presión. Combustibles: gasolina,
queroseno, gasóleo y fuelóleo. Pesadas como los aceites
lubricantes y los residuos sólidos.
Materia prima para la obtención de muchos compuestos químicos.
Mezcla gaseosa de pequeños hidrocarburos, cuyo principal componente es el metano.
Sus técnicas de exploración y extracción son similares a las del petróleo, pero no es necesario realizar un proceso de refino y se transporta a través de barcos y gasoductos.
Materia prima para la obtención de hidrógeno.
8 Manifestaciones de la energía8. Energía eléctrica
Corriente eléctrica: movimiento ordenado de las cargas eléctricas por un circuito eléctrico. Energía eléctrica: la energía asociada a este movimiento, que es la forma más cómoda de disponer de energía.
Corriente continua, proporcionada por pilas y baterías. Corriente alterna, que es la que se recibe por la red eléctrica, porque
se transporta de forma más eficaz que la corriente continua. Un sistema eléctrico de corriente eléctrica alterna está formado por centrales generadoras y redes de transporte y distribución a los centros de consumo.
Central generadora convencional. La turbina transforma parte de la energía previa de un fluido en energía mecánica de rotación a través de un rodete con aspas. El alternador transforma la energía de movimiento de rotación de la turbina en eléctrica alterna por la inducción electromagnética.
8 Manifestaciones de la energía8. Energía eléctrica
En una central termoeléctrica el fluido que comunica la energía de rotación a las aspas de la turbina está formado por los gases de la combustión de un combustible, como el vapor de agua que entra a gran presión en la turbina. El vapor de agua se obtiene calentando una masa de agua en una caldera por medio de la combustión de un combustible como carbón, gasóleo, fuelóleo o biomasa; o por medio del calor procedente de la reacción de fisión del uranio que se realiza en un reactor de una central nuclear.
Cogeneración es el uso secuencial de un mismo combustible para producir energía eléctrica y aprovechar parte del calor residual como fuente energética adicional. Se obtiene un mayor rendimiento energético global del proceso productivo, que puede llegar hasta el 80 %. La energía intercambiada en forma de calor residual mediante un intercambiador de calor se almacena en un fluido. Esta parte del calor residual, que no se puede utilizar en la producción de energía eléctrica, se puede aprovechar como sistema de calefacción.
8 Manifestaciones de la energía9. Fuentes de energía renovables
El agotamiento de las fuentes de energía tradicional no renovables, la contaminación medioambiental que causan dichas fuentes y la dependencia que se tiene de otros países en cuanto a su aprovisionamiento han obligado a la sociedad a investigar y apoyar el desarrollo de las energías renovables.
La energía hidráulica o hidroeléctrica
En una central hidroeléctrica, el agua recogida en un embalse se deja caer para que accione una turbina a la que se le acopla un generador que produce energía eléctrica.
Ventajas Inconvenientes
Regulan los ríos, impidiendo avenidas en lluvias torrenciales.
Reserva de agua en sequía. No contaminante, barata y de
rendimiento muy elevado.
Anegan tierras fértiles y poblaciones.
La inversión es grande. Largas redes de distribución. Modifican el paisaje.
8 Manifestaciones de la energía9. Fuentes de energía renovables
La energía eólica
No todas las partes de la superficie de la Tierra reciben la misma radiaciónSolar y unido al movimiento de rotación de la Tierra, es la causa de los vientos. La energía del viento en la actualidad se transforma en energía eléctrica en los aerogeneradores, que se instalan agrupados en parques eólicos.
Un aerogenerador está formado por un rotor cuyas palas son movidas por el viento. El rotor está acoplado a un alternador que transforma la energía cinética del viento en energía eléctrica.
Ventajas Inconvenientes
Es una energía inagotable, gratuita y no contaminante.
La inversión para construir y mantener un parque eólico es pequeña.
Es una energía muy dispersa, intermitente y de intensidad irregular.
Modifica el paisaje y produce un gran impacto visual.
8 Manifestaciones de la energía9. Fuentes de energía renovables
La energía geotérmica
Se obtiene mediante el aprovechamiento de la energía en forma de calor procedente del interior de la Tierra.Tipos de yacimientos geotérmicos
De agua caliente
Pueden formar una fuente o ser subterráneos, contenidos en un acuífero. Por una perforación se obtiene el agua caliente y por otro se vuelve a inyectar en el acuífero, tras haber enfriado el caudal obtenido. El agua caliente se puede utilizar directamente para obtener energía eléctrica como en una central termoeléctrica.
Yacimientos secos
Hay una zona bajo la tierra, a profundidad no excesiva, con materiales calientes en seco.
Se inyecta agua por una perforación y se recupera caliente por otra, se aprovecha el calor y se vuelve a reinyectar.
8 Manifestaciones de la energía9. Fuentes de energía renovables
La energía solar
Para aprovechar la energía solar es necesario aplicar un sistema de captación adecuado pues no se puede utilizar o almacenar directamente.
Térmica
Un panel solar térmico consta de un captador solar, un fluido térmico y un depósito acumulador. Existen sistemas captadores de alta temperatura, como los cilíndricos-parabólicos, que concentran la radiación solar para lograr altas temperaturas en los fluidos térmicos.
Foto voltaica
La radiación solar se transforma directamente en energía eléctrica mediante un panel fotovoltaico por el efecto fotoeléctrico. Al incidir sobre un material semiconductor, como el silicio, generan un flujo de electrones que se aprovecha para proporcionar una corriente eléctrica continua que se puede transformar en corriente alterna.
Ventajas Inconvenientes
Es limpia, inagotable y gratuita.
Es dispersa y depende de la insolación. Se precisan instalaciones que alteran el paisaje.
8 Manifestaciones de la energía9. Fuentes de energía renovables
La energía de la biomasa
Biomasa es la materia orgánica procedente de los seres vivos. Los residuos orgánicos urbanos y los derivados de la limpieza de los bosques se pueden quemar para producir energía eléctrica como en una central térmica. Esta fuente de energía renovable es sucia, ya que durante su transformación hay que quemarla.Otro camino, muy prometedor, es transformar la biomasa en combustibles que sustituyan a la gasolina y al gasóleo del transporte y de la calefacción.
Ventajas Inconvenientes
Se favorece el reciclado, el tratamiento de las basuras y la limpieza de los montes.
Aprovecha terrenos que no son adecuados para plantar cultivos.
Los biocombustibles reducen el empleo de gasolina y gasóleo.
Se necesitan grandes cantidades de residuos orgánicos o de superficies de cultivo.
Al quemarla se produce dióxido de carbono.
redes distribución no desarrolladas.
8 Manifestaciones de la energía9. Fuentes de energía renovables
La energía del mar
Los desniveles entre la bajamar y la pleamar se puede aprovechar cuando se producen en recintos geográficamente cerrados.La energía cinética de las olas se aprovecha cuando estas penetran en una cámara y comprimen el aire de su interior, que acciona una turbina a la que se le acopla un generador para producir energía eléctrica.
Ventajas Inconvenientes
Es una energía inagotable, gratuita y no contaminante.
Está disponible en cualquier época del año y en cualquier zona costera de la Tierra.
Se necesitan grandes inversiones para construir diques y presas.
Produce impacto visual en el litoral. Solo es aprovechable en lugares muy
concretos. El agua del mar estropea los mecanismos
de los sistemas de transformación.
8 Manifestaciones de la energía10.Manifestaciones de la energía en la naturaleza
Fenómenos como consecuencia de la dinámica interna del planeta.
Terremotos, seísmos o sismos
Movimientos vibratorios violentos de la Tierra causados por la brusca liberación de energía acumulada durante largo tiempo, por fracturas de la corteza terrestre.Las placas litosféricas que conforman la corteza terrestre se mueven de forma lenta y chocan entre sí. Si el desplazamiento es dificultado, comienza a acumularse una gran energía de tensión que en algún momento hará que una de las placas se mueva bruscamente contra la otra, liberándose entonces una gran cantidad de energía que origina el terremoto.
Hipocentro o foco es el punto en la profundidad de la Tierra desde donde se libera la energía.
Epicentro es el punto de la superficie de la Tierra directamente sobre el hipocentro, donde la intensidad es mayor.
8 Manifestaciones de la energía10.Manifestaciones de la energía en la naturaleza
Erupciones volcánicas
Respiraderos en la superficie de la Tierra por los que emana roca fundida (magma) en forma de lava, junto con cenizas volcánicas y gases del interior del planeta. El ascenso del magma ocurre generalmente en episodios de actividad, erupciones, que pueden variar en intensidad, duración y frecuencia, desde la formación de suaves corrientes de lava hasta explosiones extremadamente destructivas.
Tsunamis o maremoto
Son consecuencia del desplazamiento vertical a lo largo de una falla en el suelo oceánico o de un deslizamiento submarino por un terremoto. La velocidad de la ola que ocasiona está relacionada con la profundidad oceánica. En agua superficial se ralentizan y crecen en altura hasta que se precipitan sobre la costa con tremenda fuerza.
8 Manifestaciones de la energía10.Manifestaciones de la energía en la naturaleza
Debidas a causas climatológicas y meteorológicas
Inundaciones y riadas Tornados Ciclones tropicales
Destrucciones del terreno y de las construcciones debido a inundaciones y riadas provocadas por deshielos o lluvias torrenciales.
Torbellino violento de aire que gira sobre sí mismo y se extiende desde las nubes hasta la superficie terrestre. su forma suele ser parecida a la de un cono invertido.Es muy energético aunque de corta duración, que produce gran destrucción por donde pasa.
Tormentas con una circulación cerrada alrededor de un centro que produce fuertes vientos y abundante lluvia. Extraen su energía de la condensación del aire húmedo.
8Manifestaciones de la energía11.Situaciones de la vida en las que se pone de manifiesto el intercambio de
energía
Los cambios químicos y el intercambio de energía están presentes en casi todas las actividades de los seres vivos.
Fotosíntesis
Cambios químicos que se producen en las plantas verdes en presencia de la luz para transformar el dióxido de carbono que toman del aire y el agua que absorben del suelo en glucosa, un glúcido de fórmula C6H12O6 rico en energía química.
Respiración celular
Proceso que ocurre en el interior de las células de los organismos vivos por el que los nutrientes obtenidos a través de los alimentos son procesados para extraer la energía química almacenada en ellos. Como en la combinación de la glucosa con el oxígeno en el interior del cuerpo humano, que libera la energía necesaria para la realización de las funciones vitales del organismo.
Fermentación
Proceso biológico originado por algunos microorganismos en ausencia del oxígeno del aire. Así, la fermentación de los glúcidos como la glucosa mediante levaduras origina el alcohol etanol, C2H5OH.
8Manifestaciones de la energía11.Situaciones de la vida en las que se pone de manifiesto el intercambio de
energía
Sudoración
La transpiración es la evaporación de agua en un ser vivo que ocurre con intercambio de energía con su entorno. Tanto plantas como animales transpiran.
En el ser humano, la transpiración ocurre a través de la piel porque en ella se ubican las glándulas sudoríparas, que fabrican el sudor que sale por los poros.
En los mamíferos es el proceso que permite regular la temperatura corporal, sobre todo en ambientes cálidos o con la actividad física.
Ritmo cardíaco
La realización de actividad física requiere el consumo de energía, lo que conlleva subidas y bajadas en el ritmo cardíaco y puede provocar bajadas de la tensión arterial y síntomas como mareos o falta de aire.