Antoine A. Cournot (1801-1877), matemtico y filsofofrancs, distingua claramente dos conceptos de ciencia:las ciencias especulativas o tericas y las ciencias tcni-cas. En este sentido, por tanto, lo tcnico implica practici-dad y en cierta medida se opone a lo terico o especulativo

que mira casi exclusivamente alpensamiento. Ms an, no faltanautores para los que la tcnicase refiere al procedimiento, alempleo de ciertos instrumentos y

a la utilizacin de ciertos materiales con destino a un arte, aun oficio o a una industria.

La sociedad actual, que basa en la tcnica una parte im-portante de su potencialidad econmica, exige una com-plementariedad entre lo terico y lo prctico. No basta sa-ber qu se hace sino cmo se hace, por qu se hace y paraqu se hace. Los procedimientos tcnicos no deben ser di-vergentes del mtodo y pensamientos cientficos.

ste es, en sntesis, el objetivo principal de este libro:ofrecer en complementariedad de finalidades aquellos so-portes tericos que se traducen en una operatividad prc-tica.

Evidentemente, y segn los diversos aspectos que se es-tudien, han de converger una serie de conceptos y clculosbsicos. En algunos casos ser la Fsica quien sirva de fun-damento al proceso tecnolgico; en otros lo sern la Qumi-ca, la Biologa la Economa incluso.

A lo largo del texto se ha buscado un lenguaje sencillo yuna exposicin lo ms prxima a situaciones reales; esti-mulando al alumno hacia un progreso personal acorde consus capacidades y habilidades.

Por otra parte, se ha puesto especial inters en resaltar lainfluencia que el desarrollo tecnolgico ejerce sobre el en-torno y sobre el medio ambiente, analizando causas y solu-ciones, as como todos aquellos aspectos que incidan en laseguridad e higiene siempre exigible en todo trabajo.

En nuestro deseo de servir al Profesorado, alumnos yalumnas, agradecemos todas aquellas sugerencias queayuden a una mejora constante de esta obra que, en defini-tiva, redundar en una mejor formacin del alumnado.

LOS AUTORES

PRESENTACIN

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Cualquier proceso tecnolgico re-sultara inconcebible si no fueseacompaado de la utilizacin deenerga. La energa se necesita parala obtencin de materiales, para lafabricacin de todo tipo de piezasmecnicas, para el funcionamientode mquinas y herramientas Estaenerga, cuyo ntimo significado andesconocemos, procede en ltimainstancia del Sol y en gran parte haestado almacenada en nuestro sub-suelo durante miles de aos en for-ma de combustibles fsiles. Su ex-plotacin masiva desde los tiemposde la Revolucin Industrial ha con-ducido a la sociedad al estado dedesarrollo en que actualmente seencuentra.

Este bloque temtico est dedicado,por entero, al estudio de la energa ysus modos de aprovechamiento yutilizacin, sin olvidar los proble-mas que plantea su consumo incon-trolado. La energa es un bien im-prescindible, pero que escasea cadavez ms. No debemos, por lo tanto,derrocharla si queremos que la hu-manidad contine avanzando porsenderos de progreso y bienestar.

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1. La energa, el motor delmundo

2. Los combustibles fsiles3. La energa nuclear4. La energa hidrulica5. Las energas alternativas6. Consumo y ahorro de

energa

RECURSOS ENERGTICOS ISUMARIO

La especie humana, al igual que las dems especies, depende de la energapara su supervivencia. Salvo la pequea parte que proviene del calor internode la Tierra cuyas manifestaciones ms evidentes son los volcanes, los gise-res y las fuentes de aguas termales y la producida por la descomposicin delos elementos radiactivos, la energa de que disponen los seres vivos para rea-lizar sus funciones viene procurada directa o indirectamente por el Sol. Nues-tra especie, sin embargo, ha aprendido a utilizar una gran variedad de formasde energa y a ello debe su espectacular crecimiento y su prosperidad. Pero elxito de la humanidad en el aprovechamiento energtico genera a su vez unavariada gama de graves problemas, entre los que destacan la dependencia deformas de energa no renovables o de muy lenta renovacin y la produccinde enormes volmenes de residuos contaminantes.

Ren-Franois Bizec, tomado del prlogo de Las nuevas energas, RBA Editores, Barcelona, 1980.

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LA ENERGA, EL MOTOR DELMUNDO1

1. QU ES LA ENERGA?1.1.Unidades de energa.

2. FORMAS O CLASES DEENERGA2.1. Energa mecnica.2.2. Energa nuclear.2.3. Energa interna.2.4. Calor.2.5. Energa qumica.2.6. Energa radiante.2.7. Energa elctrica.

3. PRINCIPIO DECONSERVACIN DE LAENERGA

4. TRANSFORMACIONESENERGTICAS4.1. Rendimiento de las

transformacionesenergticas.

5. FUENTES DE ENERGA6. IMPORTANCIA DE LA

ENERGA ELCTRICA

CONTENIDOS

1. Un cuerpo de masa 5 kg, inicialmente en reposo, est situado en un pla-no horizontal sin rozamientos y se le aplica una fuerza horizontal cons-tante de 100 N durante 5 minutos. Con esa fuerza el cuerpo logra des-plazarse 240 m.a) Qu trabajo se realiz? Expresa el resultado en julios y en kilogrme-

tros.b) Cul es el valor de la potencia mecnica desarrollada?

Resultados: a) W 2,410 4 J 2,45 10 3 kgm; P 80 W

2. Se arrastra una piedra tirando de ella mediante una cuerda que forma conla horizontal un ngulo de 30 y a la que se aplica una fuerza constantede 40 kp. Cunto vale el trabajo realizado en un recorrido de 200 m?

Resultado: W 40000 3J

3. Mediante un motor de 1/5 CV de potencia, un cuerpo asciende 10 m en2 s. Cul es la masa del cuerpo? (Recuerda que 1 CV = 735 W).

Resultado: m 3 kg

1. Un muelle comprimido posee energa, porque al dejarlo en libertadpuede empujar un objeto, realizando un trabajo.

2. Una masa de agua embalsada a una cierta altura posee energa,puesto que al dejarla caer puede mover los labes de una turbina,produciendo trabajo mecnico.

Ejemplos

1. QU ES LA ENERGA?

La mayor parte de los cuerpos pueden, en determinadas situaciones, rea-lizar un trabajo. Se dice de ellos que poseen energa, palabra acuada hacedos siglos por el fsico ingls Thomas Young y que en griego significa tra-bajo dentro.

La Ciencia no dispone an de una definicin correcta de la energa. Sabe-mos cmo se manifiesta, qu efectos produce pero desconocemos su naturaleza, lo que impide concretar en palabras su significado. Por ello, te-nemos que conformarnos con establecer a modo de definicin que:

Energa es la capacidad para realizar un trabajo.

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UNIDAD 1

1.1. Unidades de energa

La energa se identifica con el trabajo; de ah que se mida en las mismasunidades:

Julio: es el trabajo que realiza una fuerza de 1 newton al desplazar supunto de aplicacin 1 metro en su misma direccin.

Kilogrmetro: es el trabajo realizado por una fuerza de 1 kilopondio aldesplazar su punto de aplicacin 1 metro en su misma direccin.

Calora: es la cantidad de calor necesaria para elevar, a la presin nor-mal, la temperatura de 1 gramo de agua desde 14,5 C a 15,5 C. Equivale a4,18 julios.

Kilowatio-hora: es el trabajo realizado por un ser o una mquina de 1kW de potencia durante 1 hora de funcionamiento. Equivale a 3,6 106 julios.

ACTIVIDADES

RecuerdaTrabajo es el producto de la fuerza Faplicada a un cuerpo por la distancia sque recorre su punto de aplicacin ypor el coseno del ngulo que formanlas direcciones de ambos:

W F s cos. Su unidad en el Siste-ma Internacional es el julio (J).

Potencia de un ser o de una mquinaes el cociente que resulta de dividir eltrabajo W que realiza entre el tiempo tque tarda en realizarlo: P W/t. Suunidad internacional es el watio (W).

En constante aumentoEn tiempos prehistricos el consumoenergtico por habitante y da se redu-ca a unas 3 000 kilocaloras.

Hace unos 40 000 aos, cuando ya se usaban animales domsticos y se conoca el fuego, el consumo por habitante y da se elev a unas 10 000 kilocaloras.

Hoy, ya en el siglo XXI, el gasto deenerga en los pases muy desarrolla-dos supone unas 300 000 kilocaloraspor habitante y da.

LA ENERGA, EL MOTOR DEL MUNDO

La energa cintica de un cuerpo de masa m que se desplaza a una ve-locidad v viene dada por la expresin:

Si sobre un cuerpo acta una fuerza que realiza un cierto trabajo W, y lavelocidad del cuerpo aumenta desde un valor inicial v1 a otro final v2, secumplir, conforme se ha visto en cursos anteriores, que:

expresin matemtica del llamado teorema de la energa cintica o delas fuerzas vivas, que se puede enunciar as:

Si la velocidad del cuerpo y, por consiguiente, su energa cintica dismi-nuye, ser el propio cuerpo quien realice trabajo, y ste ser negativo.

El trabajo realizado por una fuerza al actuar sobre su cuerpo durantecierto tiempo es igual a la variacin de energa cintica experimenta-da por el cuerpo en ese tiempo.

1 1W m v 22 m v 21 EC2 EC1 E c2 2

1Ec m v 2

2

2. FORMAS O CLASES DE ENERGALa energa se manifiesta de mltiples formas, pudiendo convertirse unas

en otras con mayor o menor dificultad. Entre estas distintas clases de ener-ga se pueden citar las siguientes:

2.1. Energa mecnica

Es la energa almacenada en los cuerpos materiales, y puede definirse co-mo la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo en virtud de suvelocidad (energa cintica), de su posicin en un punto de un campo gravi-tatorio (energa potencial gravitatoria), de su estado de tensin (energa po-tencial elstica), etc.

2.1.1. Energa cintica

Energa cintica (Ec) es la energa que posee un cuerpo en movimien-to, debido a su velocidad.

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Un proyectil de 0,4 kg atraviesa una pared de 0,5 m de espesor. La velocidad del proyectil al llegar a la pa-red era de 400 m/s y al salir, de 100 m/s. Calcular:

a) La energa cintica del proyectil al llegar a la pared y al salir de ella. b) El trabajo realizado por el proyectil.Solucin:

1a) Ec de llegada EC1 m v 21 1/2 0,4 kg (400 m/s) 2 32 000 J

21

Ec de salida EC2 m v 22 1/2 0,4 kg (100 m/s) 2 2 000 J2

b) W EC EC2 EC1 2 000J 32 000J 30 000J

(Observa que el trabajo es negativo, al ser producido por el proyectil que tiene que vencer la resistencia que opone la pared a su penetracin).

Ejemplos

Una unidad energticaEn la actualidad el ndice de consumode energa por habitante se mide enTEC (toneladas de carbn equivalente)y permite comparar, con un grado bas-tante bueno de aproximacin, los nive-les de desarrollo de los distintos pases.

2.1.2. Energa potencial gravitatoria

Con respecto a esta expresin, conviene tener en cuenta trescuestiones fundamentales:

Para conocer la energa potencial gravitatoria de un cuerpo es necesariosaber la altura h a la que se encuentra, y para ello es preciso que previa-mente se determine un nivel de referencia. Por ejemplo, si se dice que unobjeto est a 2 metros de altura, habr que sealar si esta altura se mide so-bre el suelo, sobre el nivel del mar, sobre la terraza de una casa, etc.

Este nivel o punto de referencia suele denominarse nivel cero de energapotencial gravitatoria. Por eso, en realidad, no podemos hablar de energapotencial gravitatoria en sentido absoluto, sino nicamente de diferenciasde energa potencial gravitatoria entre dos puntos: el de situacin del cuerpo y el de referencia. Y escribiremos de una forma ms correcta: W mg(h ho), que equivale a establecer que el trabajo realizado contralas fuerzas del campo gravitatorio se invierte en incrementar la energa po-tencial gravitatoria del cuerpo.

La expresin Epg mgh slo es vlida para alturas pequeas, en lasque el valor de la aceleracin de la gravedad g se pueda considerar cons-tante.

Si se realiza trabajo sobre un cuerpo (en contra del campo gravitatorio)y su altura aumenta, tambin aumentar su energa potencial gravitatoria.Por el contrario, si el cuerpo se acerca al nivel cero, disminuyendo el valorde h y, por lo tanto, su energa potencial gravitatoria, es precisamente elcampo quien realiza trabajo a expensas de la energa perdida por el cuerpo.

E p g m g h

Energa potencial gravitatoria (Epg) es la energa que posee un cuerpodebido a la posicin que ocupa en un campo gravitatorio.

9

UNIDAD 1

Un objeto de 50 kg se halla a 10 m de altura sobre la azotea de unedificio, cuya altura, respecto al suelo, es 250 m. Qu energa po-tencial gravitatoria posee dicho objeto?

Solucin:

La pregunta, enunciada as, admite dos respuestas posibles: se pue-de calcular la energa del objeto respecto al suelo de la azotea, orespecto al suelo real del edificio.

En el primer caso: Epg m g h 50 kg 9,8 m/s 210 m 4 900 J

En el segundo: Epg m g h 50 kg 9,8 m/s 2260 m 127 400 J

Por lo tanto, a la hora de resolver el problema debemos especificarcul ha sido el nivel de referencia que hemos considerado.

Ejemplos

hP m g

Ep m g h

Si un cuerpo de masa m est situado a una altura h dentro de uncampo gravitatorio, actuar sobre l una fuerza su peso, mg y si sele abandona libremente, esta fuerza recorrer un camino la altura h,con lo cual realizar un trabajo: W mgh, que es una medida de laenerga potencial gravitatoria que posea. Por tanto:

Generalizando el conceptoNo solamente existe energa potencialgravitatoria. Todo cuerpo situado enun campo de fuerzas posee energa po-tencial. As, cabe hablar de energa po-tencial elctrica, energa potencialmagntica, etc.

LA ENERGA, EL MOTOR DEL MUNDO

2.1.3. Energa potencial elstica

Su valor viene dado por: siendo k la constante elstica

del resorte y x su deformacin.

Energa potencial elstica es la energa que posee un cuerpo elstico(resorte) en virtud de su estado de tensin.

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Un muelle, de longitud 20 cm, se alarga a 28 cm al aplicarle una fuer-za de 2 N. Qu energa potencial elstica posee en estas condicio-nes?

Solucin:

Calcularemos, en primer lugar, el valor de la constante elstica delresorte por aplicacin de la ley de Hooke; observando que se alarg8 cm (0,08 m): x 28 cm - 20 cm 8 cm 0,08 m.

F 2 NComo F kx k 25 N/m

x 0,08 m

1 1 NPor lo tanto: Epx k x

2 25 (0,08 m) 2 0,08 J2 2 m

Ejemplos

Es evidente que si estiramos un muelle o lo comprimimos con una fuerzaF realizamos un trabajo. Este trabajo queda almacenado en el muelle en for-ma de energa, la cual se pone de manifiesto al soltarlo.

Esta energa se denomina energa potencial elstica, Epx, y podemosdefinirla as:

Un muelle comprimido posee energaalmacenada.

2.2. Energa nuclear

Se trata de una energa propia de la materia y que se libera al fisionarsefragmentarse o fusionarse unirse los ncleos de determinados tomos.Procede de la transformacin de la materia en energa de acuerdo con la re-lacin de Einstein: E m c2 segn la cual 1 gramo de masa, transforma-do ntegramente en energa, equivale a 91013 julios.

La energa que se libera en el Sol es precisamente energa nuclear de fu-sin: en cada segundo algo ms de 4 millones de toneladas de masa seconvierten en 41026 julios de energa, que es enviada desde el Sol a todo elespacio.

2.3. Energa interna

La materia est formada por molculas y tomos que se encuentran enconstante movimiento. A su vez, en los tomos existen otras partculas quetambin se mueven. Aunque un cuerpo est en reposo, todas estas partcu-las estn en continua agitacin y poseen, por consiguiente, energa cintica.

La ley de HookeLa ley de Hooke establece que en loscuerpos elsticos la fuerza deformado-ra F es directamente proporcional a ladeformacin x producida: F = k x, sien-do k la denominada constante elsticadel resorte, que se expresa en el Siste-ma Internacional en N/m.

Qu poco nos llega!La mayor parte de la energa emitidapor el Sol se pierde en el espacio. Debi-do a la gran distancia a la que se en-cuentra la Tierra, a sta slo le llegauna pequea fraccin de esa energa:en las capas altas de la atmsfera so-bre una superficie de 1 metro cuadradosituada perpendicularmente a los rayossolares incide cada segundo una canti-dad de energa de 1,38 kJ.

1Epx k x

2

2

Pero no es slo esto: tambin existen fuerzas de atraccin y repulsin en-tre las partculas, lo que significa que el sistema posee energa potencial.

La energa interna de un cuerpo depende tambin de su temperatura y dela presin a la que est sometido, y puede aumentar cuando se realiza untrabajo sobre el cuerpo o se le pone en contacto con otro a mayor tempera-tura. En este ltimo caso la energa se ha transmitido en forma de calor, co-mo se ver ms adelante.

2.4. Calor

Es una forma de energa debida a la agitacin de las molculas que com-ponen un cuerpo, que se manifiesta por las variaciones de temperatura,cambios de estado y de volumen de los mismos y que se transmite de unosa otros como consecuencia de una diferencia de temperatura. Esta transmi-sin de calor puede tener lugar de tres maneras diferentes:

Conduccin. Consiste en un transporte de energa calorfica sin trans-porte de materia, pero en presencia de sta. Es un proceso tpico de los s-lidos, consecuencia de la agitacin molecular que hace posible el intercam-bio de energa cintica entre unas molculas y sus vecinas.

Los metales son buenos conductores del calor. Por eso, es necesarioproveer de asas o mangos de sustancias malas conductoras a los utensiliosdomsticos de metal que hayan de ser calentados.

Las sustancias malas conductoras, como madera, corcho, plstico, etc.,se utilizan como aislantes del calor. El aire, siempre que no est en movi-miento, es un buen aislante: por eso, se emplean dobles tabiques y vidrierascon aire en medio como aislantes del calor en las viviendas.

Conveccin. Es un transporte de energa calorficacon transporte de materia. Es un proceso tpico de losfluidos. Las molculas de stos disminuyen de densidadal calentarse, y ascienden en el seno del fluido, siendoocupado su lugar por otras molculas ms densas, quese calentarn de igual modo, establecindose as las lla-madas corrientes de conveccin.

La conveccin gaseosa explica el tiro de las estufas ychimeneas. Como los productos derivados de la combus-tin son menos densos que el aire, ascienden a travs dela chimenea, produciendo una aspiracin de aire puroque entra por la abertura de la chimenea o de la estufa,avivando la combustin.

Del mismo modo se explica la calefaccin central. El agua se calienta enla caldera situada en el stano del edificio y al disminuir su densidad ascien-de a los radiadores, y el agua fra, ms densa, desciende a la caldera, y deesta forma se establecen corrientes de conveccin que circulan ininterrum-pidamente.

Radiacin. Consiste en un transporte de energa calorfica que puedetener lugar tanto en presencia de materia como en ausencia de ella, es de-cir, en el vaco. Se produce por medio de ondas electromagnticas, anlo-gas a las de la luz, radio, televisin, etc., pero de un determinado rango defrecuencia. De esta forma, precisamente, se propaga la energa del Sol atravs del espacio.

Energa interna (U) de un cuerpo es la suma de las energas de todaslas partculas que lo constituyen.

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UNIDAD 1

Corrientes de conveccin.

Hay que evitar erroresEl calor es una energa en trnsito. Poreso, carece de sentido hablar de caloralmacenado en un cuerpo, pues slopuede almacenarse energa.

RecuerdaEl calor se suele medir en caloras(cal) . 1 cal = 4,18 J.

LA ENERGA, EL MOTOR DEL MUNDO

2.5. Energa qumicaTodas las sustancias qumicas poseen una cierta energa que se pone de

manifiesto cuando, al reaccionar, se transforman en otras sustancias dife-rentes. Si en esta reaccin se desprende calor, significa que la energa qu-mica de los reactivos es mayor que la de los productos; si, por el contrario,tiene lugar una absorcin de calor, ser mayor la de los productos que la delos reactivos.

Al igual que en el caso de la energa potencial gravitatoria, no es posibledeterminar el valor absoluto de la energa qumica de un compuesto: slopueden medirse sus variaciones. Debido a esto, se toma arbitrariamente co-mo cero la energa qumica de los elementos en condiciones estndar (25 Cde temperatura y 1 atmsfera de presin).

Aquellas sustancias que, como el carbn o los hidrocarburos del petrleo,al arder desprenden energa qumica en forma de calor reciben el nombre decombustibles, denominndose poder calorfico de un combustible (PC) ala cantidad de calor liberado en la combustin de una cierta cantidad unita-ria del mismo (normalmente se expresa en kcal/m3 en condiciones normales,o en kcal/kg).

2.6. Energa radiante

Es la energa que se propaga en forma de ondas electromagnticas, a lavelocidad de 3108 m/s. Parte de ella es calorfica, pero otra parte corres-ponde a microondas, luz visible (energa luminosa), rayos ultravioleta, etc. ElSol constituye la fuente principal de este tipo de energa.

2.7. Energa elctrica

Es la energa que posee la corriente elctrica. No se trata de una energaprimaria ni final, sino ms bien de una forma intermedia de energa de granutilidad a causa de las excepcionales caractersticas que posee:

Se transforma muy fcilmente, y sin producir apenas contaminacin, enotros tipos de energa.

Es muy cmoda de utilizar.

La cantidad de energa elctrica consumida por un aparato receptor ytransformada en otro tipo de energa viene dada por la expresin:

siendo V la tensin, I la intensidad de corriente y t el tiempo de funciona-miento.

Ee V I t

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Por un molinillo de caf conectado a una red de 220 V circula unacorriente de 0,7 A. Cunta energa elctrica consume en 1 minuto?

Solucin: Ee V I t 220 V 0,7 A 60 s 9240 J.

Ejemplos

1. Qu diferencias existen entre energa interna, energa qumica y calor?Puede decirse que un cuerpo almacena calor?

2. Menciona casos prcticos de la vida diaria en los que el calor se propa-gue por conduccin, por conveccin y por radiacin.

3. Cules son las razones por las que la energa elctrica ha adquiridotanta importancia en la actualidad?

ACTIVIDADES

Si el cuerpo experimenta una transformacin de tipo nicamente mecni-co (Q = 0), desde un estado inicial 1 a otro final 2, resulta:

(Ep2 + Ec2) - (Ep1 + Ec1) W

y si la energa potencial permanece constante, como es el caso de un cuer-po que se desplaza sobre una superficie horizontal pasando su velocidad dev1 a v2, se verificar:

que no es otra cosa que el teorema de la energa cintica mencionado en elapartado 2 de esta Unidad.

En un sistema aislado (que no intercambia materia ni energa con el exte-rior), se verifica:

Q W 0, y por tanto: E1 = E2 cte.

La energa total de un sistema aislado permanece constante, aunquese puede transformar de unas clases en otras.

W Ec2 Ec1

3. PRINCIPIO DE CONSERVACIN DE LA ENERGASegn se ha visto en el prrafo anterior, la energa interna de un cuerpo o

sistema, U, puede aumentar o disminuir, aportndole o extrayendo de l ca-lor, Q, o por medio de trabajo mecnico, W, cumplindose siempre que:

En esta expresin, siguiendo el criterio de la IUPAC, Q se considera posi-tivo si es absorbido por el cuerpo o sistema, y negativo en caso contrario;mientras que W es positivo si se trata de un trabajo realizado sobre el cuer-po, y negativo si es el cuerpo quien lo realiza.

La expresin U Q W constituye la formulacin matemtica del lla-mado primer principio de la Termodinmica, enunciado en 1848 por el f-sico alemn Rudolf J. E. Clausius.

Si adems de energa interna el cuerpo posee tambin energas cintica,EC, y potencial, Ep, su energa total, E, ser la suma:

E U Ec Ep

y la ecuacin anterior puede generalizarse en la forma:

E2 E1 Q W

U Q W

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UNIDAD 1

Si se comunica a un sistema una cantidad de calor de 800 cal y reali-za un trabajo de 2 kJ, cul es la variacin de energa que experi-menta?

Solucin:

4,18 JComo Q 800 cal 3 344 J y W 2 000 J,

1 cal

resulta: E2 E1 Q W 3 344 J ( 2 000 J) 1 344 J

Ejemplos

Sistema

W > 0

Q > 0 Q < 0

W < 0

Criterio de signos de la IUPAC.

Cuidado con los signos!En ocasiones, para el intercambio deenerga entre un sistema y su entornose sigue el llamado criterio termodin-mico de signos, segn el cual:

Q se considera positivo si es absorbi-do por el cuerpo o sistema, y negati-vo en caso contrario.

W es positivo si es trabajo realizadopor el cuerpo o sistema contra el me-dio ambiente, y negativo si se trata deun trabajo realizado contra el sistema.

De acuerdo con este criterio de signos,el primer principio de la Termodinmi-ca se expresara de la forma:

U = Q W

Sistema

W < 0

Q > 0 Q < 0

W > 0

LA ENERGA, EL MOTOR DEL MUNDO

ste es el llamado principio de conservacin de la energa, que secumple en nuestro Universo, por ser un sistema aislado, ya que no haycuerpos que acten sobre l (si los hubiera, formaran a su vez parte delUniverso). Por tanto, puede afirmarse que:

4. TRANSFORMACIONES ENERGTICAS

La experiencia demuestra que todas las clases o formas de energa sontransformables unas en otras. As, la energa potencial gravitatoria puedetransformarse o manifestarse como cintica; la energa qumica puede darorigen a energa calorfica, etc.

Otra cosa es que la Ciencia y la Tcnica sean capaces hoy en da de lle-var a cabo todas estas transformaciones. En el cuadro siguiente se repre-sentan en esquema algunas transformaciones energticas, en las cuales secumple rigurosamente el principio de conservacin de la energa.

La energa total del Universo permanece constante.

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Energa nuclear

Energa calorfica

Energa mecnicaEnerga radiante Energa elctrica

Energa qumica

1. Desde una altura de 200 m se deja caer una piedra de 5 kg.

a) Cunto valdr su energa potencial gravitatoria en el punto ms alto?

b) Suponiendo que no exista rozamiento, cunto valdr su energa cintica al llegar al suelo?

c) Cunto valdr su energa cintica en el punto medio del recorrido?Resultados: a) Epg 9 800 J

b) Ec 9 800 Jc) Ec 4 900 J

2. Qu trabajo realiza un coche de 1 000 kg de masa cuando sube a velo-cidad constante por una carretera de 2 km de longitud que tiene una in-clinacin de 10 o?

Resultado: W 3,4 106 J

3. Qu trabajo realiza una gra para elevar un bloque de cemento de 800kg desde el suelo hasta 15 m de altura, sabiendo que el bloque se en-cuentra inicialmente en reposo y al final su velocidad es de 2 m/s?

Resultado: W 119 200 J

ACTIVIDADES

Generalizacin de EinsteinDe acuerdo con la Teora de la Relativi-dad, la materia es una forma ms de laenerga, de modo que una variacin enla masa de un sistema supone siempreuna variacin en su energa, segn laexpresin:

E m c2

donde la constante de proporcionali-dad c corresponde a la velocidad depropagacin de la luz en el vaco.

Por tanto, adoptando ahora este crite-rio debemos enunciar as el principiode conservacin de la energa:

Esta afirmacin es uno de los postula-dos fundamentales de la Fsica moder-na.

La suma total de la masa y de laenerga del Universo permanececonstante.

Mencionaremos, a continuacin, algunos procesos en los que tienen lu-gar estas transformaciones de energa:

Energa mecnica. Se puede transformar en: Energa elctrica. Esta transformacin se verifica en los generado-

res, tanto de corriente continua (dinamos) como de alterna (alterna-dores).

Energa calorfica. En las partes mviles de las mquinas el roza-miento transforma parte de la energa mecnica en calor.

Energa elctrica. Es la ms susceptible de transformarse en otros ti-pos de energa. Se puede convertir en:

Energa mecnica. Esta transformacin tiene lugar en los motoreselctricos.

Energa qumica. En los acumuladores (por ejemplo, bateras decoches) la energa elctrica, a travs de un proceso de electrlisis,se transforma en energa qumica, que queda almacenada en la ba-tera (la batera se carga).

Energa calorfica. Al pasar la corriente elctrica a travs de unconductor, se produce en l calor como consecuencia del llamadoefecto Joule. Esta transformacin de energa elctrica en calorficaes la base del funcionamiento de todos los aparatos de calefaccinelctrica.

Energa radiante (luminosa), como sucede en las bombillas de in-candescencia y en los tubos fluorescentes.

Energa qumica. Se encuentra presente en todas las sustancias, en es-pecial en los combustibles y en los alimentos. Se suele transformar en:

Energa elctrica. Es el caso de las pilas y de los acumuladores.

Energa trmica. Es la transformacin ms frecuente. En la mayorparte de las reacciones qumicas exoenergticas (por ejemplo, lasde combustin) la diferencia de energa entre los reactivos y losproductos se desprende en forma de calor.

Energa radiante (luminosa). Por regla general las combustionesproducen, adems de calor, luz; es decir, energa luminosa. Se pue-de citar como ejemplo la combustin del acetileno, empleado enotro tiempo para la iluminacin.

Energa mecnica. La energa qumica almacenada en los alimen-tos se convierte en los animales en la energa mecnica necesariapara llevar a cabo todas las actividades vitales.

Energa calorfica. Se puede transformar en: Energa mecnica. En las centrales trmicas que se considerarn

ms adelante el calor producido al arder carbn, gasleo o gas na-tural convierte el agua lquida en vapor, y ste pone en movimientolas turbinas.

Energa elctrica. Ejemplos de esta transformacin son los con-vertidores termoinicos, termoelctricos y magnetohidrodinmicos.

Energa qumica. La ruptura de las molculas de algunas sustan-cias (especialmente orgnicas) por la accin del calor termlisises un ejemplo muy conocido de la transformacin de energa calor-fica en qumica.

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UNIDAD 1

LA ENERGA, EL MOTOR DEL MUNDO

Energa radiante. La ms importante, debido a sus aplicaciones, es laprocedente del Sol. Se puede convertir en:

Energa calorfica. De todos es conocido que los rayos del Sol ca-lientan la superficie de los cuerpos sobre los que incide. En la prc-tica la transformacin de la energa radiante en calorfica se realizamediante unos dispositivos llamados captadores fototrmicos.

Energa elctrica. Se verifica esta transformacin en clulas sola-res o fotovoltaicas.

Energa qumica. La fotosntesis que se da en la mayor parte delos vegetales constituye el ejemplo ms caracterstico de este tipode transformaciones energticas.

Energa nuclear. La energa almacenada en los ncleos de algunostomos se transforma, mediante procesos de fisin o de fusinnuclear, en energa calorfica. El calor procedente de las reacciones defisin se aprovecha para su transformacin en energa mecnica oelctrica.

4.1. Rendimiento de las transformaciones energticas

En la prctica, ninguna de estas transformaciones energticas se verificaen su totalidad. Es decir, si disponemos, por ejemplo, de 100 J de energade una determinada clase, nunca se obtienen 100 J de energa del tipo de-seado; siempre hay una fraccin ms o menos grande de energa que seconvierte en calor y se disipa al exterior, sin que pueda ser utilizada poste-riormente.

Por regla general, las mquinas utilizan energa de una clase determinaday la transforman en energa mecnica (trabajo). Esta transformacin interesaque sea lo ms completa posible; es decir, que las prdidas de energa enforma de calor queden reducidas a un mnimo. Para cuantificar el aprove-chamiento energtico de una mquina se considera un parmetro que seconoce con el nombre de rendimiento, , y que viene dado por la siguienterelacin:

Normalmente se expresa en tanto por ciento (%). En este caso la expre-sin correspondiente ser:

Trabajo realizado

Energa utilizada

Trabajo realizado

Energa utilizada

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Un motor de 20 CV acciona una gra que eleva un cuerpo de 600 kg a20 m de altura en 1 min. Cul es el rendimiento de la instalacin? (Re-curdese que 1 CV 735 W).

Solucin:

Trabajo realizado Epg mgh 600 kg 9,8 m/s220 m 1,176 105 J

735 W 60 sEnerga utilizada Pt 20 CV 1 min 8,82105 J

1 CV 1 min

1, 176 10 5JPor tanto, el rendimiento ser: 0,133 13,3%

8, 82 10 5J

Ejemplos

1. Cita varios ejemplos de transfor-maciones de: a) Energa elctrica en calor-

fica.b) Energa mecnica en elctri-

ca.c) Energa qumica en calor.

2. Por un motor elctrico conectadoa una tensin de 220 voltios cir-cula durante 1 hora una corrien-te de 8 amperios de intensidad.En ese tiempo ha conseguidoelevar un cuerpo de 8 000 kg a25 m de altura. Calcula el rendi-miento energtico del motor.

Resultado: 30,9 %

ACTIVIDADES

100

Energa hidrulica.

Energa solar.

Energa elica.

Biomasa.

Residuos slidos urbanos (RSU).

Energa mareomotriz.

Energa de las olas.

Energa geotrmica.

Energa de combustibles fsiles.

Energa nuclear de fisin.

UNIDAD 1

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Fuentes renovables(Se puede disponer de

ellas sin peligro de que seagoten. Por regla general, sonlas que originan menor im-pacto medioambiental.)

Fuentes no renovables(Se trata de depsitos de

energa, que constituyen re-servas limitadas, que dismi-nuyen a medida que se vanutilizando.)

Carbn

Petrleo

Gas natural

La energa del futuroSe especula mucho hoy en da acercade cul ser la energa que se utilizaren gran escala una vez que se hayanagotado las reservas actuales de car-bn, petrleo y gas natural. A este res-pecto, conviene mencionar las investi-gaciones que se realizan en multitud decentros experimentales acerca del posi-ble aprovechamiento de la energa nu-clear de fusin. Aunque los resultadosobtenidos hasta la fecha no puedenconsiderarse en modo alguno conclu-yentes, cabe mantener la esperanza deque en un futuro no muy lejano sea po-sible aprovechar a escala industrial estafuente de energa, que se libera al unir-se ncleos de tomos ligeros, y que re-sulta barata, inagotable y escasamentecontaminante.

Recursos y reservas de energaNo todos los recursos energticosconocidos y localizados son apro-vechables. Para ello, su explotacinha de ser posible y econmicamen-te rentable. Adems, es necesarioque la energa til que se obtengadel recurso sea muy superior a laconsumida en su extraccin y pos-terior transformacin. Los recursosque cumplen estas condiciones re-ciben el nombre de reservas, yaque pueden aprovecharse para sutransformacin en energa til encondiciones econmicamente ren-tables.

Mientras que los recursos energti-cos son muy abundantes, las reser-vas son ms escasas, aunque va-riables en el tiempo. A medida quese abaratan los costes de explota-cin o aumenta el precio en el mer-cado, se van convirtiendo en reser-vas muchos recursos que anteseran inaprovechables.

1. Qu diferencias existen entre energas renovables y no renovables?Cules se utilizan preferentemente hoy en da?

2. Por qu decimos que la mayor parte de la energa que utilizamos pro-viene del Sol?

ACTIVIDADES

6. IMPORTANCIA DE LA ENERGA ELCTRICAEl consumo de energa est muy ligado al de la electricidad, aunque sta

no es una fuente de energa, sino nicamente una forma de utilizarla. Su em-pleo en gran escala es una de las caractersticas ms importantes de la lla-mada II Revolucin Industrial. Desde los aos 1873, en que se invent la di-namo, y 1883, en que se logr resolver el problema del transporte de laenerga elctrica, la produccin y el consumo de este tipo de energa ha idoen constante aumento, hasta el punto de que un pas industrializado duplicacada diez aos su consumo medio de energa elctrica.

5. FUENTES DE ENERGA

El actual desarrollo cientfico y tecnolgico que disfruta la humanidad re-quiere la utilizacin de energa en cantidades cada vez mayores. Esta ener-ga se obtiene a partir de distintas fuentes naturales, que se conocen comofuentes primarias.

Estas fuentes de energa, la mayor parte de las cuales provienen en ltimainstancia del Sol, se pueden clasificar de la forma siguiente:

Tipo de central Energa primaria que se transforma

Energa procedente de la combustin de carbn, fuel o gas natural

Hidroelctrica Energa potencial del agua

Solar (fotovoltaica o trmica) Energa del Sol

Elica Energa del viento

Geotrmica Calor interno de la Tierra

Mareomotriz Energa de las mareas

La obtencin de energa elctrica se logra a partir de las fuentes primariasen instalaciones especiales que reciben el nombre de centrales elctricas,y que pueden ser de distintos tipos:

LA ENERGA, EL MOTOR DEL MUNDO

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La cogeneracinReciben este nombre aquellos pro-cesos en los que se producen si-multneamente y de una formaconjunta electricidad y calor, en elmismo lugar en el que se utilizan.

El rendimiento, tanto elctrico co-mo trmico, es muy elevado, lle-gando incluso al 90%.

Los mdulos de cogeneracin enlos que se verifica este proceso es-tn constituidos por:

Turbinas, alimentadas por va-por de agua producido al arder uncombustible (generalmente, gasnatural). La turbina mueve un ge-nerador elctrico, y el vapor proce-dente de ella calienta una caldera,produciendo agua caliente parausos domsticos o industriales. Seutilizan para obtener grandes po-tencias.

Motores Diesel, que se usan pa-ra conseguir potencias de 70 kW a2 MW.

Los sistemas de cogeneracin sig-nifican un ahorro considerable deenerga primaria, al mismo tiempo que reducen la contaminacin me-dioambiental. En Espaa, la pro-duccin de energa por cogenera-cin supuso en 1990 el 3,3% de laenerga total.

La produccin de electricidad se ha convertido en requisito indispensabledel proceso de industrializacin, debido a que la energa elctrica posee unaserie de caractersticas que resultan de gran utilidad:

Es muy regular. Su tensin es siempre la misma, y se dispone de ella encualquier momento que se desee.

Es una energa limpia. Una vez obtenida, apenas produce contamina-cin medioambiental.

Es fcil de transportar. Se puede hacer llegar a cualquier punto sin pr-didas apreciables, siempre que el transporte se realice a alta tensin.

Es fcil de transformar en otros tipos de energa (mecnica, calorfica,qumica, luminosa, etc.). Los motores elctricos accionan los medios detransporte, la maquinaria de las fbricas y los aparatos electrodomsticos.Los distintos sistemas de alumbrado son tambin de tipo elctrico.

Sin embargo, la energa elctrica presenta el gran inconveniente que leotorga la imposibilidad de ser almacenada: hay que consumirla en el mo-mento en que se produce. Ello ocasiona grandes problemas y aumenta con-siderablemente los costos, lo que se comprende fcilmente si se tiene encuenta la enorme fluctuacin en la demanda segn las diferentes estacionesy horas del da.

1. Cita ejemplos en los que una energa primaria se aproveche directamen-te, sin necesidad de convertirla previamente en energa elctrica.

2. Por qu se dice que la energa elctrica es muy verstil?

3. Haz un breve trabajo de redaccin en el que se ponga de manifiesto lainfluencia de la energa elctrica en el desarrollo cientfico y tecnolgicode un pas.

ACTIVIDADES

Tipo de central Energa primaria que se transforma

Trmica

UNIDAD 1

1. Razona si las siguientes afirmaciones son ciertaso falsas.

El kilowatio hora equivale a 3, 6 10 6 watios.

Hay esperanzas fundadas de que en el futuro seutilice de forma masiva la energa nuclear de fu-sin.

En los motores elctricos la energa mecnicase transforma en energa elctrica.

Todos los cuerpos poseen calor, aunque en mu-chas ocasiones no lo ponen de manifiesto.

2. Una gra eleva una masa de 1 000 kg a una altu-ra de 15 m en 1/4 de min.

a) Qu trabajo realiza?

b) Cul es su potencia?

Resultados: a) W 147 000 J; b) P 9 800 W

3. Un motor quema 1 kg de combustible de podercalorfico 500 kcal/kg y eleva 4 000 kg de agua a20 m de altura. Cul es el rendimiento del mo-tor?

Resultado: 37,5 %

4. Un automvil de 1 000 kg de masa marcha a unavelocidad de 108 km/h.

a) Qu cantidad de calor se disipa en los frenosal detenerse el coche?

b) Si ese calor se comunicara a 10 litros de agua,cunto se elevara su temperatura?

Resultados: a) Calor 108 kcal; b) t 10,8 C

5. Un muelle elstico se alarga 4 cm bajo la accinde una fuerza de 5 kp. Calcula la energa potencialelstica que almacena cuando se estira 10 cm.

Resultado: Epx 6,125 J

6. De qu maneras se puede propagar el calor?Explcalo, considerando como foco calorfico unaestufa situada en el centro de una habitacin.

7. En la cima de una montaa rusa un coche y susocupantes, cuya masa total es 1 000 kg, est auna altura de 40 m sobre el suelo y lleva una ve-locidad de 5 m/s. Qu energa cintica tendr elcoche cuando llegue a la cima siguiente, que es-t a 20 m de altura?

Resultado: Ec 208 500 J

8. Puede ser negativo el trabajo? Y la energa ci-ntica? Y la energa potencial gravitatoria? Y laenerga elstica? Razona tus respuestas.

9. Si 2 mg de masa se convirtiesen ntegramenteen energa, cuntos kilowatios-hora produci-ran?

Resultado: E 5 10 4 kWh

10. Un motor de 16 CV eleva un montacargas de 500kg a 20 m de altura en 25 segundos. Calcula elrendimiento del motor. (Recurdese que 1 CV =735 W)

Resultado: 33,3%

11. Un automvil con una masa de 1 000 kg aprove-cha el 20% de la energa producida en la com-bustin de la gasolina cuyo poder calorfico es104 cal/g. Si el coche parti del reposo y alcanzla velocidad de 36 km/h, calcula:

a) La energa utilizada por el motor.

b) La energa total producida.

c) La cantidad de gasolina gastada.

Resultado: a) 5 104 J 1,2 10 4 cal

b) 6 104 cal

c) 6 g

12. Qu trabajo podr realizarse mediante el calorproducido por la combustin de 100 kg de car-bn si cada kilogramo de carbn origina 9 000kcal y el calor solamente se aprovecha en un40%?

Resultado: 15,05 10 8 J

13. Un automvil de masa 1 000 kg marcha a una ve-locidad de 20 m/s. Si frena bruscamente hastadetenerse, qu calor se libera en el frenado?

Resultado: 48 kcal

14. Un muchacho alpinista, cuya masa es 60 kg, to-m 234 g de azcar cuyo contenido energticoes de 938 kcal. Suponiendo que solamente un15% del mismo se transform en energa mec-nica, qu altura podr escalar ese alpinista a ex-pensas de dicha energa?

Resultado: 1 000 m

15. Se dice frecuentemente que el calor es la formams degradada de la energa. Qu se quiere ex-presar con esa afirmacin?

ACTIVIDADES DE S NTESIS

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