unidad 2. la energía y su transformación -...

1. Ciencia, tecnología y técnica

2. Concepto de energía y sus unidades

3. Formas de manifestación de la energía

4. Transformaciones de la energía

5. Fuentes de energía

6. Combustibles fósiles

7. Energía nuclear

8. Energía hidráulica

9. Energía solar

10. Energía eólica

Unidad 2. La energía y su transformación

11. Biomasa

12. Energía geotérmica

13. Energía maremotriz

14. Residuos sólidos urbanos (RSU)

15. Energía de las olas

16. Sistema eléctrico

1

Unidad 2. La energía y su transformación

2

Relación entre ciencia, tecnología y técnica.

1 Ciencia, tecnología y técnica

Ciencia, tecnología y técnica.

3

Relación entre ciencia, tecnología y técnica

Características más relevantes de la ciencia, la tecnología y la técnica.



4

Terminología de tipo científico y tecnológico

Características de los nuevos términos

Normalización de términos



La terminología es el conjunto de vocablos o palabras

propios de una determinada profesión, ciencia o materia.

5

Origen de los viejos y nuevos términos

Formación de palabras o términos técnicos.



6

Sistema de unidades

Sistemas de unidades y sus equivalencias.



7

Evolución de las formas de energía utilizadas por el ser humano.

2 Concepto de energía y sus unidades


La energía es la capacidad que tiene un cuerpo para

realizar un trabajo. Está presente en los seres vivos,

desde su propia alimentación hasta la realización de un

trabajo.

8

Unidades de energía

Otras unidades de energía ampliamente utilizadas.

2 Concepto de energía y sus unidades

Ciencia, tecnología y técnica. Unidades de energía

utilizadas en el SI y el ST.

9

Otras unidades de energía ampliamente utilizadas.Manifestaciones de la energía.

3 Formas de manifestación de la energía


Formas Tipos Explicación Fórmulas

Me

cá

nic

a

Em

= E

c +

Ep

E

léc

tric

a

Es la energía que posee un cuerpo debido a

su velocidad. Todos sabemos que, para una

misma masa, cuanto mayor velocidad tiene

el objeto, mayor energía cinética posee.

Es la energía de un cuerpo debido a la altura

a la que se encuentra dentro de un campo de

fuerzas determinado. Nosotros nos vamos a

centrar exclusivamente en el gravitatorio

terrestre.

Es la energía que proporciona la corriente

eléctrica. Se trata de una energía de

transporte, no siendo (mayoritariamente) ni

primaria ni final. Generalmente siempre se

transforma y procede de otro tipo de energía,

tal como calor, energía mecánica, etcétera.

Cinética

Potencial

Ec = 1/2 m v2 m = masa del cuerpo que se mueve.

v = velocidad lineal del objeto.

Ep = m g h

g = gravedad = 9,8 m/s2

h = altura a la que se encuentra el cuerpo. v = √– 2– –g– –h––

Ee = P t = V I t = I2 R t P = V · I

Según la ley de Ohm: V = I R. P = potencia expresada en vatios (W).

t = tiempo en segundos. V = voltaje en voltios (V).

R = resistencia eléctrica en ohmios (Ω). I = intensidad de corriente en amperios (A).

Manifestaciones de la energía.

10

Otras unidades de energía ampliamente utilizadas.Manifestaciones de la energía.




Manifestaciones de la energía (continuación)..

Té

rmic

a

Conducción

Convección

Radiación

Paso de calor (energía) de un cuerpo de

mayor temperatura a uno de menor, por efecto

de choques moleculares. Por ejemplo, un

trozo de carne que se cocina en una sartén.

Q = (λ/d) S (Tf – Ti) t

λ = coeficiente de conductividad (tabla en la

páginas siguientes) en kcal/m h °C. d = espacio entre dos superficies del mismo

cuerpo (m).

S = superficies del mismo cuerpo (m2).

t = tiempo en horas.

El calor asciende. Para ello es necesario que

haya algún fluido que lo transporte. Ejemplo:

calor del radiador que asciende hasta el techo

porque el aire caliente tiene menos densidad.

Q = a S (Tf – Ti) t

a = coeficiente de convección en kcal/m2 h °C.


El calor se transmite en forma de ondas

electromagnéticas. Un cuerpo más

caliente que el ambiente que lo rodea

irradia calor en forma de ondas que se

transmiten a distancia. Por ejemplo, al

situarse en los laterales de una estufa, se

recibe calor por radiación.

Q = c S [(T2/100)4 – (T1/100)4] t

c = coeficiente de radiación.

T2 = temperatura absoluta del objeto que irradia calor.

T1 = temperatura absoluta del objeto irradiado.


11




Manifestaciones de la energía (continuación).

Qu

ímic

a

Nucle

ar

Radiante

electromagnética

Combustión

química

Fisión

Fusión

Se origina al reaccionar dos o más

productos químicos para formar otro

distinto. Así tenemos: alimentos al

digerirlos los seres vivos, el carbón,

materias vegetales e hidrocarburos

(combustibles derivados del petróleo) al

quemarse, etcétera.

Es propia de las ondas electromagnéticas, como ondas infrarrojas, luminosas, ultravioleta, microondas,

etcétera.

Se obtiene al romper un núcleo de un material fisionable

(uranio o plutonio).

Se obtiene al unir dos núcleos de dos

átomos (litio y tritio) formando helio y

desprendiendo gran cantidad de calor.

Einstein demostró que la materia se podía

transformar en energía según la fórmula:

E = m c2

E = energía producida en julios (J).

m = masa que desaparece (en kg).

c = velocidad de la luz (3 · 108 m/s).

Q = Pc m (sólidos y líquidos)

Q = Pc V (gases)

Pc = poder calorífico de un cuerpo al arder en kcal/kg o kcal/m3.

m = masa del cuerpo que se quema (en kg).

12


3.1 Energía mecánica

Em = Ec + Ep

Ec = ½mv2

Ep = mgh

13


3.2 Energía calorífica o térmica

Transmisión del calor por conducción

Coeficientes de conductividad térmica (λ) de algunos materiales.

14


Transmisión del calor por convección

Coeficientes de convección (α).

15


Transmisión del calor por radiación

Coeficientes de radiación (c).

16


Acumulación de energía térmica

en los cuerpos

Q = Ce · m (Tf – Ti)

Q = cantidad de calor en kcal.

Tf = temperatura final en ºC.

Ce = calor específico en kcal/kg · ºC.

Ti = temperatura inicial en ºC.

m = masa en kg.

Calor específico (Ce) de algunos combustibles.

17


3.3 Energía química

Poder calorífico (Pc)

Materiales sólidos y líquidos: Q = P

c m; donde m es la masa en kg.

Combustibles gaseosos: Q = P

c V; donde V es el volumen en m3.

Poder calorífico (Pc) de algunos combustibles.

18


3.4 Energía nuclear

E = m · c2

E = energía calorífica obtenida en J.

m = masa que ha desaparecido en kg.

c = velocidad de la luz (3 · 108 m/s).

19

4 Transformaciones de la energía

Transformación de la energía y máquinas utilizadas.

20


4.1 Consumo energético

Primer principio de la Termodinámica

W

Q

Q es la energía que recibe la locomotora

(carbón) y W es el trabajo que realiza al

arrastrar los vagones. Q es la energía que recibe la locomotora

(electricidad) y W es el trabajo que realiza

al arrastrar los vagones.

21


4.2 Rendimiento

Q es la energía que recibe la locomotora

(carbón) y W es el trabajo que realiza al

arrastrar los vagones.

Se llama rendimiento de una máquina a la relación entre el

trabajo o energía suministrado por una máquina y la energía que

ha sido necesario aportarle. Viene dada por la expresión:

Lo ideal sería que fuese igual a 1.

Eso querría decir que la máquina

no desperdiciaría ninguna energía.

Desgraciadamente, siempre es menor

que 1 (nunca mayor).

22

Fuentes de energía primarias

5 Fuentes de energía


Las fuentes de energía primarias son todas aquellas

formas de energía naturales que actualmente utiliza el

hombre. Se pueden clasificar en renovables y no

renovables.

23

Fuentes de energía primarias



Fuentes de energía primarias.

Consumo de energía primaria en España en el

año 2010.

24

Fuentes de energía secundarias



Las energía secundarias o finales son aquellas

energías resultantes de la transformación de las energías

primarias en otro tipo de energías.

Consumo de energía secundaria en España en el año 2010.

25

6.1 El carbón

El origen del carbón.

6 Combustibles fósiles


El carbón es un combustible sólido de color negro, compuesto

fundamentalmente por carbono y otros elementos químicos, como

hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, etc.

26

El consumo de carbón en España en el año 2010 fue de 13,69

Mtep, y procedió de los países indicados en el gráfico.



27

Tipos de carbón

Tipos de carbones minerales.



Carbón

mineral

Antracita Hulla Lignito Turba

Carbones

artificiales

Carbón

vegetal Carbón de coque

28

Aplicaciones del carbón Fabricación de carbón de coque.

Proceso de obtención de carbón de coque.


29

Aplicaciones del carbón

Obtención de productos industriales:

1. Gas ciudad.

2. Vapores amoniacales.

3. Grafito casi puro.

4. Brea o alquitrán.


Obtención del carbón vegetal a

través de la descomposición por

acción del calor (pirólisis).

30

Aplicaciones

del carbón Producción de

electricidad en

centrales térmicas

clásicas.


Central térmica clásica (modificada del

original de UNESA).

31

6.2 El petróleo

Composición del petróleo.



El petróleo es un combustible natural formado por una mezcla de

hidrocarburos y, en menor proporción, por otros elementos, como

azufre, oxígeno y nitrógeno.

32

Origen del petróleo

Pozos petrolíferos


33

Las refinerías: destilación fraccionada o

múltiple del petróleo


Refinería de petróleo. Composición típica de un litro de crudo después del proceso de refino.

34


Países de los que España importó gas natural. Países de los que España importa crudo.

35

Hidrocarburos líquidos, sólidos y gaseosos


Hidrocarburos más importantes.

36

7 Energía nuclear


La energía nuclear es aquella que se desprende de los

núcleos de ciertos átomos, cuando entre ellos se produce

una determinada reacción.

Tipos de

reacciones

nucleares

Fisión Fusión

37

7 Energía nuclear


7.1 Tipos de reacciones nucleares

Fisión

1n + 235U = 93Cs + 140Rb + 3n

38

7 Energía nuclear


Componentes de una central nuclear 1. Reactor nuclear.

2. Turbina.

3. Condensador.

4. Edificio de almacenamiento y manipulación.

5. Circuito de refrigeración / generador

de vapor.

Central nuclear. Componentes de una central nuclear.

39


Central con reactor de agua a presión (PWR). Central con reactor de agua en ebullición (BWR).

7 Energía nuclear

40

7 Energía nuclear


Fusión

Fusión nuclear.

Reactor Tokamak.

41

Evolución de las ruedas hidráulicas

8 Energía hidráulica


Ruedas hidráulicas de eje horizontal. Turbina Fourneyron.

42

Evolución de las ruedas hidráulicas



Turbina Pelton. Turbina Kaplan.

43

1.1 Componentes de un centro hidroeléctrico



Componentes de un centro hidroeléctrico.

44

Embalses

Presa de gravedad

Presa de bóveda


Presa de gravedad.

Presa de bóveda.

45

Conductos de agua

Compuertas

Tuberías de conducción

La toma de agua

La chimenea de equilibrio


Compuertas.

46


Características de la turbina Kaplan Características de la turbina Pelton

Se trata de una turbina de eje vertical y un rotor en

forma de hélice, con aspas (generalmente 5 o 6) de

inclinación variable, que va encerrada en una cámara

cilíndrica por cuya parte superior llega el agua.

Se trata de una rueda hidráulica muy perfeccionada, en la que en la

periferia de una circunferencia se ha colocado una serie de

«cucharas» que pueden soportar el choque de un potentísimo chorro

de agua.

Se emplea para saltos de agua inferiores a 25 m y

mucho caudal.

Las cucharas reciben el agua en un sentido y la expulsan casi en

sentido contrario (150º). En instalaciones muy grandes alcanzan

empujes de hasta 50 toneladas.

Su rendimiento suele estar entre el 93 y el 95 %. Se usa cuando se dispone de un gran salto de agua, pero no de

mucho caudal. Su rendimiento puede llegar hasta el 90 %.

Es una de las turbinas que más se emplea en la

actualidad.

Gira más lentamente que la Kaplan (entre 3000 y 1800 rpm). Para

incrementar la potencia basta aumentar el número de chorros.

Características de los principales tipos de turbina.

47

8.2 Potencia y energía obtenidas en una

central hidroeléctrica


P = potencia de la central en kW: potencia

hidráulica.

Q = caudal de agua en m3/s.

h = altura en metros (desde la superficie del

embalse hasta el punto donde está la turbina).


E = energía teórica obtenida en kWh: energía

hidráulica.

P = 9,8 · Q · h

E = P · t = 9,8 · Q · h ·

t

48


Compuertas

Embalses

Chimenea de

equilibrio

Toma de agua

Alternador Turbinas

Sala de

máquinas

Líneas de

transporte de

energía eléctrica

Transformadores

Central hidroeléctrica (modificada del original de UNESA).

49

La fórmula que nos indica la energía en forma de calor que llega

a un punto de la superficie de la Tierra viene dada por la

expresión:

Q = K · t · S

Q = energía en forma de calor expresada en vatios por hora (Wh).

K = coeficiente de radiación solar, expresado en /m2. Puede valer desde

0 hasta 1000. La media aproximada en un día de verano será K = 950.


S = sección o área en m2.

9 Energía solar

50

Aprovechamiento de la energía solar

Aprovechamiento de la energía solar.

9 Energía solar

51

Conversión en energía térmica o calorífica:

colectores o captadores planos

Hasta temperaturas de 35º C.

Hasta temperaturas de 60 ºC.

Hasta temperaturas de 120 ºC.

Colector solar plano. Partes de un colector.

9 Energía solar

52

Aprovechamiento pasivo

Invernaderos

Desalinizadoras de agua marina

Invernadero.

Desalinizadora.

9 Energía solar

58 ENERGÍAS RENOVABLES3

Hay muchísimas aplicaciones en las que se emplea este

aprovechamiento para usos industriales:

– (Fig. 3.7). Los plásticos permiten la entrada de radiaciones electro-

del plástico, debido a la reflexión, quedan retenidas. El resultado es un aumento de la temperatura.

– Desalinizadora de agua marina (Fig. 3.8). Consta de dos recipientes separados y aislados exteriormente. Por un lado lleva un cristal que tendrá una orientación de unos 45 ° con respecto a la horizontal; al fondo, un material que refleje los rayos

gotas de agua se condensan y caen al otro recipiente.

Horno solar rayos solares que inciden en una superficie muy grande en comparación con la zona anterior. Para ello se utiliza un espejo de forma parabólica, como se puede ver en

-tudio del punto de fusión de materiales. Su explotación comercial no es viable en la actualidad debido a su alto coste. El horno solar más grande del mundo se encuentra

(Uzbekistán) que funciona bajo el mismo principio.

B.

(Fig. 3.9). Está formado por una serie de helióstatos o espejos direccionales (1), de grandes dimensiones, que reflejan la luz solar hacia una torre (3), concentrando los rayos solares sobre la caldera (2). El aporte calorífico es absor-bido por el fluido de la caldera y conducido hacia el generador de vapor (5). Luego la energía se transmite a un segundo circuito, donde el agua que tiene se evapora y llega al grupo turbina-alternador (6), que produce electricidad. Finalmente, el fluido es condensado en el aerocondensador (7) para repetir el ciclo.

Fig. 3.7. Invernadero.

Recubrimiento

transparente

Reflector

Gotas de agua

Fig. 3.8. Desalinizadora.

Fig. 3.9. Campo de helióstatos (modificada del origin al de UNESA).

1- Campo de helióstatos

2- Torre

3- Caldera

4- Almacenamiento térmico

5- Generador de vapor

6- Turbo-alternador

7- Aerocondensador

8- Transformadores

9- Líneas de transporte

de energía solar

Fig. 3.10. Horno solar de Odeillo.

53

Conversión en energía eléctrica

Campo de helióstatos

Campo de helióstatos (modificada del original de UNESA).

9 Energía solar











B.



Recubrimiento

transparente

Reflector

Gotas de agua




2- Torre

3- Caldera



6- Turbo-alternador

7- Aerocondensador

8- Transformadores


de energía solar


9

1. Campo de helióstatos

2. Caldera

3. Torre

4. Almacenamiento térmico

5. Generador de vapor

6. Turbo-alternador

7. Aerocondensador

8. Transformadores

9. Líneas de transporte de

energía solar

54

Colectores cilíndrico-parabólicos

Esquema de una central solar con colectores cilíndrico-parabólicos.

9 Energía solar

55

Horno solar

Horno solar de Odeillo.

9 Energía solar











B.



Recubrimiento

transparente

Reflector

Gotas de agua




2- Torre

3- Caldera



6- Turbo-alternador

7- Aerocondensador

8- Transformadores


de energía solar












B.



Recubrimiento

transparente

Reflector

Gotas de agua




2- Torre

3- Caldera



6- Turbo-alternador

7- Aerocondensador

8- Transformadores


de energía solar


56

Placas fotovoltaicas

Detalle de una placa fotovoltaica.

9 Energía solar

57

Molino americano utilizado para bombear agua.

10 Energía eólica


Tiene como fuente al viento, es decir,

al aire en movimiento. Lo que se

aprovecha es su energía cinética.

58

10.1 Clasificación de las máquinas eólicas

Aeroturbinas de eje horizontal

De potencias bajas o medias (hasta 50 kW).

De potencia alta (más de 50 kW).

Parque eólico.

10 Energía eólica

59

Aeroturbinas de eje vertical

Aeroturbina Darrieus.

Aeroturbina Savonius.

Aeroturbinas Savonius y Darrieus.

10 Energía eólica

60

Cálculo de la energía generada en una turbina

La potencia máxima teórica que se puede obtener del viento

viene dada por:

Pviento = 0,37 · S · v3

S = sección barrida por las aspas o palas al girar (m2).

v = velocidad del viento (m/s).

P = potencia (en vatios).

10 Energía eólica

61

Rendimiento aerodinámico

Se define como rendimiento aerodinámico ( η) a la relación

entre:

10 Energía eólica

62

Esquema de los procesos de transformación de biomasa.

11 Biomasa

Se denomina biomasa al conjunto de materia orgánica renovable (no

fósil) de procedencia vegetal, animal o resultante de una

transformación natural o artificial.

63

11.1 Por extracción directa

11.2 Procesos termoquímicos

11.3 Procesos bioquímicos

Fermentación alcohólica. Pirólisis.

Fermentación anaeróbica.

Pirólisis.

11 Biomasa

64

Proceso de obtención de energía geotérmica..

12 Energía geotérmica

La energía geotérmica es la energía

calorífica que procede del interior de

la Tierra.

12.1 Tipos de yacimientos

Yacimientos hidrotérmicos.

Yacimientos geopresurizados.

Yacimientos de roca caliente.

Yacimiento hidrotérmico. Yacimiento de roca caliente. 65

12 Energía geotérmica

66

Central maremotriz y detalle de un grupo turbina-alternador (La Rance).

13 Energía maremotriz

67

Incineración

Fermentación de residuos orgánicos

14 Residuos sólidos urbanos (RSU)

68

Proyectos en funcionamiento

Ejemplos de aprovechamiento de la energía de las olas.

15 Energía de las olas


El movimiento del cilindro se transmite a

las bombas (patas) que bombean agua a

gran presión (como bombas de bicicleta).

Cada uno de los flotadores (con forma de

ala de pato) gira sobre el eje de hormigón.

69

Técnicas de aprovechamiento de la energía de

las olas

Técnicas de aprovechamiento de la energía de las olas.



Indicado para aguas profundas y de

gran oleaje.

Se trata de estructuras fijas sobre las

que se sitúan dispositivos flotantes.

Estos aparatos emplean el efecto bombeo. Es decir, cada vez que se desplaza el

pistón, provoca el mismo efecto que la bomba de una bicicleta. En vez de aire se

emplea aceite, que hace girar una turbina, arrastrando un alternador.

70



67ENERGÍAS RENOVABLES 3


formar la energía de las olas en energía útil, generalmente electricidad.

El aprovechamiento de este tipo de energía suele resultar difícil y complicado, ya que

sus dimensiones y por hallarse muy próximas a la costa, estas construcciones tienen el inconveniente de producir un grave impacto medioambiental.

energía de las olas. Los proyectos en funcionamiento, a nivel mundial, más significa-

La mayoría de los dispositivos construidos se basan en alguna de las tres técnicas de aprovechamiento incluidas en la Figura 3.25: empuje de la ola, altura de la ola o presión.

Empuje de la ola Altura de la ola Presión

v

Pistón hidráulico

Muelle recuperador

Fondo marino

Generador

Estructura de hormigón

Flotador

Columna de agua

Cámara deaire

Salida y entrada de aireGenerador

Turbina de aire

Ola Ola

Cilindro de Bristol Pato de Salter

Fig. 3.24. Ejemplos de aprovechamiento de la energía de las olas.

Fig. 3.25. Técnicas de aprovechamiento de la energía de las olas.

Ac t i v i d ad es

29> Explica, mediante diagra-mas conceptuales, la forma de aprovechar y transfor-mar la energía de las olas en energía eléctrica, para cada una de las tres téc-nicas estudiadas anterior-mente.

30> Explica con detalle el fun-cionamiento de los proyec-tos pato de Salter y cilin-

qué principios o técnicas de aprovechamiento ener-gét ico utiliza cada uno de estos proyectos.

El volumen de aire que hay en el interior

de una cámara es comprimido y obligado

a mover una turbina. Fijo a la turbina hay

un alternador que genera electricidad.

Técnicas de aprovechamiento

de la energía de las olas (continuación).

71

Generación, transporte y distribución de la electricidad.

16 Sistema eléctrico

72

Generación, transporte y distribución de la electricidad.

16 Sistema eléctrico

unidad 2. la energía y su transformación -...

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