La energía

la energia

Energía es lo que mueve el mundo. La tenemos cuando comemos, al encender la luz, al entrar en el Tuenti, incluso es necesaria para pensar. Y todo es un ir y venir de Energía, esto es, la pasamos de una a otra forma pero siempre está ahí.

o como se cumple

“La energía no se crea ni se destruye únicamente se transforma”.

Sin ella no podemos vivir.

Vamos a darle un poco de tiempo para intentar comprender que es, como se crea y como la transportamos.

Se define Energía como la capacidad de realizar cambios.

Don't KnowVaya, pues no hemos quedado un poco Igual !!!!!

Es que es un poco difícil de explicar aunque la definición sea tan sencilla,  porque al hablar de energía tenemos que pensar que existe en algún lugar,  si quien lo tiene es capaz de usarla para poder cambiar algo.

Si un coche tiene gasolina y la emplea para moverse, entonces hay energía

Si en tu casa enciendes el radiador y genera calor, entonces en el radiador hay energía

Si puedes leer esto , significa que estás vivo y en tí hay energía ( por cierto,  más de la que te imaginas )

¿ Como la medimos ?

Esto depende de quien lo haga.

En el sistema internacional  tenemos el  Julio como unidad básica y el Kj como 1000 Julios y sería la energía de subir un metro el peso de 100 Kg

Si la energía está en forma de calor, tenemos la caloría que equivale a 4,18 Julio

Y si es la compañía de electricidad, tenemos el KWh  que equivale a 3600 Kj

Como actividad podemos demostrar que 1 KWh es 3600 Kj sabiendo que el vatio lo definimos como el Julio entre un segundo.

Problema 1. Calcular  qué tenemos que pagar a la compañía  eléctrica al día si tenemos conectado una tele que consume 0,5 amperios durante 4 horas  y un radiador de 10 A conectado 1 hora. El precio del Kwh cuesta 20  céntimos de euros y la tensión son 220 Voltios.

Formas de energía

Energía química: Cuando existe reacciones  químicas entre componentes químicos. Ejemplo: La de combustión de la gasolina cuando reacciona con el oxígeno. Si no hay oxigeno no hay combustión. (  las barbacoas en la luna tienen que esperar )

gallina y huevosEnergía térmica: Cuando pasamos calor de un cuerpo. Un ejemplo claro es la gallina que tiene que incubar a los huevos a una temperatura constante. Sin el calor de la gallina no hay pollito.

Energía mecánica: Cuando existe  movimiento. Una locomotora tiene una gran cantidad de energía cuando se mueve.

Energía nuclear: Toda aquella que proviene del núcleo de los átomos, ya sea al partirlo o al unir dos para generar uno más grande.uso del movil en niños

Energía radiante: Implícita en radiaciones electromagnéticas. Ejemplos son la  luz, las microondas  que emiten los  hornos microondas o los teléfonos móviles ( cuidado con su uso, porque lo usamos junto a lo mas preciado que tenemos).

Es siempre mejor usar el cable de manos libres que ponerse el móvil junto al Coco

Por último , la Energía eléctrica, cuando tenemos  cargas eléctricas en movimiento.

¿ De dónde tomamos la energía ?

Si no consideramos la energía nuclear,  ¿ conoces alguna energía que no proceda directa o indirectamente del sol ? .

Vamos allá

sol1º La Eólica, que es aprovechada por los molinos de viento ( aerogeneradores ). Parece que nada tiene que ver con el sol pero el viento se produce por cambios térmicos en las bolsas de aire , ya tenemos al sol

2º La del gas, carbón, petróleo. Estos combustibles se formaron por acción de reacciones químicas junto a presiones elevadas  y mucho tiempo… Su origen está en las plantas y los animales , que vivían gracias al sol

3º la Hidráulica se obtiene cuando el agua de la presa cae por un tubo y mueve una turbina. El agua viene de la lluvia, la lluvia se forma por acción de la evaporación del agua gracias al sol

Hay algunas que no vienen del sol, como la energía nuclear. ¿ Conoces otras ?. Una pista. No la produce el sol pero si un amigo de éste.

Podemos clasificar la Energía en Renovable ( si no se agota ) y no renovable ( si se agota )

Ejemplos de cada una son:

Energía renovables: Solar, Eólica, Biomasa, Biomasa y Mareomotriz.

Energía no renovable: Petróleo, Gas natural, Carbón y Uranio

 Como se Genera , se almacena y se transporta la Energía Eléctrica

En general es mala idea almacenar la energía eléctrica y cuando se hace es porque no queda mas remedio. La energía está en los cables porque las cargas se están moviendo. Si no se consume se desaprovecha y lo único que podemos hacer es aparar el generador ( cuando es posible )

Veremos dos casos donde se almacena energía eléctrica porque es necesaria contar con ella para que funcione el mando, la linterna, el coche , etc

2 caballosbateriaLa 1º por la batería que emplea entre otros los coches.altenadorCuando se usa y su carga baja, el alternador se encarga de suministrar la corriente para su recarga pilaEl 2º caso es la Pila donde se carga por reacción química de dos sustancias y cuando se agota no se puede volver a cargar

Para generarla hay 3 sistemas.

La dinamo si es para corriente continua y el alternador para corriente alterna. La dinamo, salvo uso donde se requiere poca energía, no se usa

DINAMO

dinamo

En la foto superior tenemos una dinamo que suministra  corriente cuando  hace contacto con la rueda

ALTERNADOR

alternador central

En este caso, están acoplados a los ejes de las turbinas para generar la corriente alterna.

En la imagen un operario realiza trabajos de mantenimiento. En el hueco del centro falta el rotor que es la parte móvil de este sistema

PLACAS FOTOVOLTAICAS En este caso, los paneles  se encargan de suministrar corriente de forma directa cuando incide luz sobre los mismos

Casi toda la energía que se usa en España se produce en centrales donde existe el Alternador. Este componente es fundamental.

Recordemos que para que gire el rotor del alternador es necesario que la turbina ( que está unida al alternador ) gire también. Para que gire es necesario que  algún fluido la haga girar.

En la imagen de abajo, vista de una central térmica

vista general de una central térmica

Vamos a ver los elementos más importantes en esta central donde un combustible es quemado para generar electricidad.

1º El combustible ( carbón , petróleo, gas .. ) es introducido de la manera mas conveniente en la caldera donde se quema y produce calor. Este calor sirve para calentar el agua que pasa por el serpentín

2º A la salida del serpentín ( tubo ) el agua está en forma de vapor que a alta presión hace girar la turbina y ésta a su vez el rotor del alternador

3º El alternador produce una corriente con una tensión no muy alta. Para elevarla la pasamos por un transformador y de éste sale a 400.000 voltios

5º El vapor que sale de la turbina es recogido y pasado a un condensador que la transforma de vapor a líquida. El condensador tiene un serpentín por la que pasa agua fría. El agua enfría el tubo y este el vapor de la turbina. El calor es recogido por el agua que al salir caliente tiene que enfriarse en la torre de refrigeración

6º El agua ( ya en forma líquida ) de la turbina pasa de nuevo a la caldera para completar el ciclo. ( En la imagen falta una bomba que empuja el agua desde el condensador a la caldera )

 

El Transformador

transformador de tensionEs un dispositivo que  sirve pasa elevar la tensión  del la corriente eléctrica. Está formado por un núcleo de hierro dulce y dos bobinados.

En la imagen tenemos

N1 es el número de espiras del bobinado de entrada

N2 es el número de espiras del bobinado de salida

V1 es la tensión de entrada

V2 es la tensión de salida

B hace referencia a la intensidad del campo magnético

Veamos como funciona. Al entrar la corriente por la bobina de entrada con tensión V1,  esa corriente crea un campo magnético cuyas líneas están representadas en rojo. Las líneas de campo van y vienen por el núcleo del transformador ( en azul ). La bobina 2 con N2 espiras “recoge” el campo magnético y lo transforma en corriente eléctrica. Como ahora hay mas espiras que “recogen campo magnético ” la tensión de salida va a ser mayor  y por tanto hemos aumentado la tensión desde V1  a V2.

Para un transformador ideal, no tenemos energía perdida y por tanto la Potencia de entrada es igual a la potencia de salida o lo que es lo mismo:

P1 = P2

Pero como la potencia es el producto de la tensión por la intensidad, tenemos que:

V1 * I1 = V2 *I2

Se puede demostrar también ( como dijimos antes ) que el aumento de tensión se debe a que hay mas espiras que “cogen líneas de campo. Expresado en forma matemática

V2 = V1 *N2 / N1

 Pero, ¿ Porque subimos la tensión, si a casa solo nos llega 220 voltios ?

tore alta tension

Tenemos que volver a nuestras fórmulas de electricidad. Sabemos que los cables están fabricados de cobre o aluminio. Como metales que son tienen resistencia y la resistencia hace que existan pérdidas en forma de calor. A mas resistencia mas calor perdido en el cable y los únicos que se van a aprovechas de ellos son los pajaritos que se posan en ellos.pajaro sobre cable

Sabemos que la Energía que se pierde en un cable es

E = P / t

La potencia   es V x I   y  por la ley de Ohm es V = I x R

Por tanto:

La Energía es E = V x I /t  = I x I x R/ t

o sea

E  = I² x R  / t

La potencia depende de la Intensidad que circula por el cable, por tanto tenemos que bajarla para evitar que se pierda mucha energía por el camino

Pero si la bajamos y queremos mantener la Potencia que se genera en la central, ¿ Que tenemos que hacer ?

I volvemos a lo fórmula de la potencia, P = V x I, o sea para mantener la P igual, lo que baje i lo tiene que subir V

Ejemplo. Si tenemos 1 Mw ( 1 millón de vatios ),  si V es 1000 voltios, I es 1000 Amperios, pero podemos subir V a 100.000  y I a 10 Amperios. Tenemos el Mw pero hemos bajado la Intensidad

Existe otro motivo, aparte del eléctrico.

Sabemos que para transportar electrones hace falta un conductor. Si hay que transportar muchos electrones, hará falta un conductor que permita el paso de los mismos, o sea tenemos que aumentar la sección del mismo ( algo parecido a transportar agua ). Si la sección es muy grande, los cables constarían una fortuna y las torres tendrían que ser mucho mas resistentes

Actividades

En las casa tenemos normalmente  220 voltios en la red eléctrica. En la siguiente tabla debemos completar los datos que faltan si la red es 220  y para el caso hipotético que la red fuese 12 voltios ( como el los coches ). ¿ Que conclusión sacamos de ello ?.

Importante. Para hacer estos ejercicios debemos de considerar que, por ejemplo, la estufa tiene que dar el mismo calor esté enchufado a 220 voltios que a 12, por tanto la energía tiene que ser la misma y consecuentemente la potencia en ambos casos es igual.

Aparato Red de 220 voltios Red de 12 voltios
Ordenador  I = 1,5 Amperios  P = I =  ( tener en cuenta que P es la misma )
Estufa I = 5 Amperios P = I =
Batidora I = 2 Amperios P = I =
Conclusión:

Centrales nucleares

Muy parecidas a las anteriores solo que el vapor de agua se consigue en el reactor nuclear

reactor central nuclear

fusion nuclearFijaros que hay muchos componentes iguales.

Dentro del núcleo ocurre lo siguiente.

El uranio tal como está en la naturaleza apenas es radiactivo. Se lo somete a un proceso de “enriquecimiento ” pasando a U236.

Cuando el U236 se entra en la vasija, los neutrones lo bombardean , se rompe en dos nuevos núcleos mas ligeros, el Kriptón y  el Bario

Al romperse se produce una gran cantidad de energía además de neutrones libres.

La energía es aprovechada para calentar el agua  y los neutrones libres para romper nuevos núcleos .

Como vemos en la imagen se generan mas neutrones que núcleos rotos. Si no se controla se puede llegar a producir un calentamiento excesivo.

Para ello están las barras de control,  fabricadas a partir de plomo, cuya misión es absorber cierta cantidad de neutrones y así, controlar el proceso

El principal problema de estas centrales radica en

a ) Donde metemos los residuos radioactivos de desecho ( que por cierto, nadie los quiere en su casa )

b ) ¿ Que ocurre cuando ocurre un acontecimiento no previsto como en Japón ?

En mi opinión, Aunque las centrales están alojadas en lugares seguros y se aplican exhaustivas medidas de seguridad, existe un riesgo potencial demasiado elevado. El accidente de  Fukushima  es una lección que debemos tener muy en cuenta.

 Centrales hidroeléctricas

central hidroelectrica

En este caso, los cambios que hay son

La turbina no es de vapor de agua sino de agua líquida

Al descender por el canal mueve la turbina y ésta al generador ( alternador )

No existe condensador puesto que no hay vapor de agua

El resto es lo mismo.

Cabe destacar que aparte de generar energía limpia, sirve para almacenar agua para el consumo humano.

Ver el video de la unidad 4

Centrales Solares

Tenemos dos tipos principales.

Central solar  Fotovoltaica. solar fotovoltaica

 

En la ilustración superior se muestran los componentes mas importantes.

Las placas solares compuestas por células de silicio, producen corriente continua que se suministrada al convertidor, el cual pasa la CC a Corriente alterna. De ahí al transformador ….

En el 2º Caso,  tenemos la

 Central solar Térmica.

Como vemos en la imagen, es muy parecida a la térmica, solo que los elementos que se encargan de calentar el agua son unos espejos llamados helióstatos que dirigen la luz solar a la torre donde está el serpentín

 

 

central solar termica

 

Parques de molinos de viento

molinos de aire

aerogenerador

 En este caso tenemos que el alternador es movido por unos engranajes ( sistema de ruedas dentadas ) encargadas de aumentar la velocidad de giro del eje de la hélice.

Se instalan en lugares donde las condiciones de vientos son buenas ( bueno esto es evidente )

El problema viene por el ruido que puede generar ( el roce del aire con la pala ) pero si está alejado de la población no tiene porqué ser un impedimento para instalarlos

En ciertas ocasiones, los amantes de las aves se han quejado porque se instalaban en las rutas migratorias de ciertas aves.

Cada día se instalan mas con menores requisitos de aire, dado que las aspas de las hélices son de mayor envergadura.

Si la velocidad del aire aumenta de 10 a 20 m/s, la energía eléctrica no aumenta de X  a 2 X, o sea no se dobla sino que ..

Tomamos la velocidad cinética del aire como

Ec = ½ m * v², siendo v la velocidad del aire y m la masa de aire

 

cilindroLa masa del aire la podemos calcular como la que existe en el cilindro de area igual a la barrida por la hélice y longitud la avanzada por el aire en un segundo

Por tanto tenemos que:

de la densidad d = m / V;  m = d x V = d x ( Πxr²) x L = d x ( Π x (La)²) x L, donde La es la longitud del aspa

Ahora veremos la Longitud L

En este caso, tenemos que para ese segundo, la relación entre la velocidad y el espacio viene dada por

e = v/t => L = v/t = v / 1 segundo

Vamos a sustituir a la fórmula general a ver que tenemos

Ec = ½ m * v² = ½  (  d x ( Π x (La)²) x L) * v²  = ½  (  d x ( Π x (La)²) x L) * v²  =  ½  (  d x ( Π x (La)²) x (v/1s)) * v² 

Por tanto tenemos Ec= ½  (  d x ( Π x (La)²) x (/1s)) * v³

Si sacamos todas las constantes fuera

 Ec =  ½  (  d x ( Π x (La)²) x (v/1s)) *  v³

Llegamos a

 

Ec = C  x  La²  x v³ 

 

donde  C = ½ x  d  x  Π

Conclusión. Si la velocidad  para de 10 a 20, la Energía en el primer caso sería C X La² x 1000

Para una velocidad de 20 tenemos E = C X La² x 20³ =  C x La²  x 8000

Hemos aumentado la energía por 8

De ahí que los días de viento la producción eléctrica por molinos de viento aumenta considerablemente.

Para Terminar este tema, realizar las Actividades de Energía

 

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