LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES
1 Energía y trabajo
Seguramente has observado alguna vez la caída al suelo de un vaso de
cristal, y lo que sucedía desde el momento del impacto.
En efecto, la mayoría de los cristalitos salieron despedidos en todas
direcciones girando sobre sí mismos a gran velocidad.
Según afirma la teoría del Big Bang, algo similar es posible que ocurriera
hace 20.000 millones de años cuando explotó y empezó la expansión del
plasma cósmico en el cual estaba comprimida toda a la materia y la energía del universo.
La energía es una propiedad asociada a la materia. En física se define como la magnitud que
indica la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo.
1.1 Formas de energía
La energía que posee un cuerpo es única; sin embargo, esta puede manifestarse en la naturaleza
de distintas formas, capaces, a su vez, de transformarse en otro tipo de energía. Algunas de las
formas más simples de energía aparecen recogidas en el siguiente cuadro:
Formas de energía
Energía potencial
Energía cinética
Energía mecánica
Energía sonora
Energía eléctrica
Energía nuclear
Energía luminosa
Energía térmica o calorífica
Energía química
Energía interna
Energía electromagnética
Descripción
Asociada a la posición (altura) de un cuerpo situado
por encima del suelo.
Debida al movimiento de los cuerpos.
Resultado de la suma de energía potencial y cinética
Asociada a las ondas sonoras.
Producto de la corriente eléctrica.
Contenida en los núcleos de los átomos.
Asociada a la luz.
Consecuencia del movimiento de las moléculas.
Debida a la composición o descomposición de las
sustancias.
Un caso particular es la energía metabólica,
generada en los organismos vivos en las
transformaciones químicas que se producen, por
ejemplo, durante la digestión y la respiración.
Asociada a todas las formas de energía existentes en
el interior de un cuerpo. La energía térmica se puede
incluir dentro de esta energía, así como la energía de
los enlaces entre átomos, etcétera.
Debida a la acción de los campos magnéticos
producidos por la corriente eléctrica.
Como ves, existen muchas formas de energía, y todos los fenómenos
que ocurren en la naturaleza (la formación de las nubes, el viento, la
lluvia, la existencia de vida, etc.) son consecuencia del paso de energía
de unos cuerpos a otros y de su transformación
ACTIVIDAD 1
1. Identifica las distintas
formas de energía presentes en un tren en movimiento, un
rayo, un trueno, una barra de chocolate y agua hirviendo.
.
1
LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES
1.1 Principio de conservación de la energía
Sin duda, alguna vez habrás oído frases como “ya no tiene energía” o “se
le está acabando la energía”; sin embargo, esto es, desde el punto de vista
de la física, incorrecto. Lo que ocurre es, sencillamente, que la forma de
energía inicial se ha transformado en otro tipo de energía que ya no
podemos usar.
Por ejemplo, en los fuegos artificiales, la pólvora contiene energía química
que se transforma en energía cinética, potencial, sonora, luminosa y
calorífica, manteniéndose constante la energía total.
La energía puede transformarse, pero nunca perderse y destruirse.
1.2
Medición de la energía
La energía que posee un cuerpo no se puede medir directamente, pero sí
el trabajo realizado con ella; por ejemplo, es posible medir la energía térmica según su
capacidad para calentar agua.
Por este motivo, las unidades en las que se mide la energía son las mismas
que las del trabajo efectuado por ella.
En el SI, el trabajo y la energía se miden en joule (J), pero, dependiendo de
la forma de energía, también se utilizan otras unidades:
Formas de energía
Energía eléctrica
Energía calorífica
Energía nuclear
Unidades
Kilowatt por hora (kW·h)
Caloría (cal)
Electronvolt (eV)
Muchas veces resulta más interesante conocer la capacidad de un
cuerpo para liberar energía rápidamente, mediante el cálculo de la
cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo. Esta
capacidad recibe el nombre de potencia, y su unidad en el SI es el
watt (W).
Por ejemplo, una bombilla (foco) de 40W alumbra menos que una
de 120 W, ya que esta última es capaz de utilizar el triple de energía
en el mismo periodo de tiempo.
ACTIVIDADES 2 y 3
2.- Busca información sobre nutrición y contesta estas preguntas:
a) ¿En qué unidad se mide la energía proporcionada por los
alimentos?
b) ¿Qué tipo de sustancias aportan más cantidad de energía, las
grasas, las proteínas o los hidratos de carbono?
3.- Calcula en el SI los valores energéticos siguientes: 3 kJ, 100 kcal,
1022 eV, 1 0 2 2 e V ;
Unidad
Kilojoule
Kilocaloría
Electronvolt
Kilowatt por hora
25 kW·h.
Símbolo
kJ
kcal
eV
kW·h
2
Equivalencia en julios
1 x 103 J = 1000 J
4.18 x 103 J = 4180 J
1.6 x 10-19 J
3.6 x 106 J = 3 600 000 J
LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES
2
Fuentes de energía
En la introducción a la presente unidad has aprendido que la energía, en la actualidad, además
de procurar bienestar, es un factor de progreso tecnológico y económico, y que, en definitiva, ha
sido la base del desarrollo histórico de la humanidad y lo será también del futuro.
Una parte de la energía que posee nuestro planeta se encuentra asociada a la materia
(fundamentalmente en forma de energía química y calorífica); otra gran parte proviene del
exterior, sobre todo del Sol, cuya luz y calor hacen posible la vida en el planeta y permiten que
se lleven a cabo las reacciones químicas necesarias para transformar y acumular energía de
muy diversos modos.
Para utilizar cualquier forma de energía, tendremos que hallar un fenómeno natural o crear un
sistema artificial que reúna estas tres cualidades:
•
•
•
Tiene que ser capaz de almacenar energía.
Esa energía ha de poder experimentar una transformación produciendo un trabajo.
Es necesario conocer la tecnología adecuada para poder utilizarla.
Esto es, deberemos hallar una fuente de energía.
Fuentes de energía más
utilizadas en los países en vías
Fuentes de energía más
utilizadas en los países
de desarrollo
industrializados
Energía mecánica procedente de
los seres humanos o de algunos
Fuentes de energía alternativas
Petróleo
Eólica (procedente del viento)
Agua
Agua
Gas
natural
Madera
Madera
Carbón
Carbón
Solar (proveniente del sol)
Biomasa (procedente de la combustión
de materia orgánica)
Geotérmica (proveniente del calor de las
capas internas de la Tierra)
Maremotriz (originada por las mareas)
animales
Energía mecánica procedente de
los animales
La cantidad de energía disponible de una fuente de energía determinada de
denomina recurso energético.
La escasez de recursos energéticos (petróleo, carbón y madera) en algunas de
las fuentes de energía más utilizadas plantea la necesidad de usar otras
fuentes e investigar el modo más rentable de emplearlas.
2
ACTIVIDAD 4.
4. Investiga el significado de estas palabras según
su etimología:
a) Eólico.
b) Biomasa.
c) Geotérmico.
d) Maremotriz.
3
LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES
Clasificación de las fuentes de energía
Según el criterio que adoptemos, podemos clasificar las fuentes de
energía de varias formas:
Atendiendo a su disponibilidad en la naturaleza y a su
capacidad de regeneración
Renovables: fuentes de energía abundantes
en la naturaleza e inagotables.
No renovables: pueden ser abundantes o no
en la naturaleza, pero se agotan al utilizarlas
y no se renuevan a corto plazo, dado que
necesitan millones de años para volver a
formarse. Son las más usadas en la
actualidad.
➢ Atendiendo a la necesidad de transformarlas o no para su uso
Primarias: se obtienen directamente de la
naturaleza.
Secundarias: son el resultado de la
transformación de las fuentes primarias.
Atendiendo a su uso en cada país
Convencionales: se trata de las energías más usadas en los países
industrializados, responsables, den gran parte, del desarrollo
tecnológico, y elemento importante de la economía de estos países. Es
convencional, por ejemplo, la energía procedente de los combustibles
fósiles.
No convencionales: son fuentes alternativas de energía que están
empezando su desarrollo tecnológico; por tanto, todavía no inciden
mucho en la economía de los países. Pertenecen a este grupo la energía
solar y la eólica.
Atendiendo al impacto ambiental
Limpias o no contaminantes: son fuentes cuya obtención produce un impacto ambiental
mínimo; además, no generan subproductos tóxicos o contaminantes.
Contaminantes: se trata de fuentes que producen efectos negativos en el medio ambiente,
algunas, por su forma de obtención (minas, construcciones, talas); otras, en el momento de
su uso (combustibles en general). Algunas producen subproductos altamente contaminantes,
como los residuos nucleares.
4
LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES
4
Impacto ambiental
4.1 Evaluación del impacto ambiental
La construcción y funcionamiento de una central eléctrica implica obligatoriamente un cambio
ecológico en la zona, debido tanto a la construcción de las infraestructuras necesarias (edificios,
comunicaciones…) como a los residuos que su actividad genera.
En todo diseño de un proyecto técnico es obligatorio efectuar
una evaluación del impacto ambiental, es decir, un estudio de
los cambios que se producirían en el medio natural como
consecuencia de su realización. Este estudio se valora, junto
con otro sobre las repercusiones económicas y sociales del
proyecto sobre la zona, y se decide si se va o no a ejecutar el
plan.
A continuación, te mostramos en el cuadro, a modo de estudio comparativo, las
características principales de cada tipo de central, y el impacto que producen en
el medio.
Tipo de central
Impacto ambiental
Hidroeléctrica
Alteración grave del medio natural,
debida a construcciones, desvíos de
agua, inundaciones de tierras.
Tipo de energía
consumida
Inconvenientes y riesgos
Riesgo de catástrofe por rotura
de presas y desbordamiento.
Peligro de desaparición de la
flora y fauna autóctonas.
Renovable.
Muchas veces, en épocas de sequía,
no se respeta el caudal ecológico.
Enfermedades respiratorias.
Alto nivel de ruido.
Efecto invernadero.
Impacto negativo en
el ecosistema.
Peligro de catástrofe nuclear.
Residuos radiactivos.
Bajos rendimientos.
Discontinua y aleatoria.
Riesgo de accidentes en caso
de fuertes vientos.
Bajos rendimientos.
Altos costes.
Discontinua y aleatoria.
Térmica
Contaminación atmosférica causada
por la emisión de gases procedentes
de la combustión.
Contaminación del agua originada
por el uso de esta como refrigerante.
No renovable.
Nuclear
Peligro de contaminación por
radicación. Residuos no reciclables.
No renovable.
Eólica
Impacto visual y sonoro. No
contaminante.
Renovable.
Solar
Repercusión en los ecosistemas
como consecuencia de la necesidad
de ocupar superficies grandes. No
contaminante.
Renovable.
Oceánica
Alteración del medio debida a las
construcciones que requiere.
Renovable.
Altos costes y bajos rendimientos.
Biomasa
Beneficiosa si se usa correctamente.
Renovable.
Problema: explotación excesiva de
los recursos naturales.
Riesgo de quemaduras y ceguera.
Ventajas
Gran potencia y rendimiento.
Gran potencia y rendimiento.
Gran potencia y rendimiento.
Reduce la dependencia de
otros combustibles. Limpia.
Posibilidad de autoconsumo.
Reduce la dependencia de
otros combustibles. Limpia.
Posibilidad de autoconsumo.
Reduce la dependencia de
otros combustibles. Limpia.
Silenciosa.
Reduce la dependencia
de otros combustibles.
Reutilización de residuos
forestales y domésticos.
ACTIVIDAD 5.
5. ¿Qué se entiende por efecto invernadero y lluvia ácida? ¿Qué relación
_tienen estos fenómenos con la actividad energética?
5
LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES
4.2 El problema de los residuos
Desgraciadamente, en la actualidad no existen tecnologías que presenten una solución óptima
a la mayoría de los problemas que generan los residuos contaminantes.
Así, además de los gases contaminantes que emiten a la
atmósfera, las centrales térmicas utilizan para refrigerar
sus instalaciones agua fría que luego se devuelve
caliente al medio. La elevación de temperatura reduce la
cantidad de oxígeno que contiene el agua, lo que puede
afectar a la vida animal y vegetal del entorno.
Las centrales nucleares tienen el mismo problema que
las térmicas respecto al agua de refrigeración, pero,
además, algunos de los residuos que se producen en
ellas son altamente peligrosos durante miles de años, y
actualmente no se sabe dónde almacenarlos de un modo
seguro.
Por otro lado, en ocasiones, la solución que se proporciona para eliminar un
residuo o un agente contaminante consiste en sustituir un agente
contaminante por otro, que en principio, parece menos dañino. Esto ocurre,
por ejemplo, con los detergentes que se utilizan para limpiar las mareas
negras ocasionadas por los vertidos petrolíferos.
En consecuencia, hoy por hoy, además de la utilización de energías limpias,
debemos centrarnos en dos aspectos: educación ecológica, para evitar el
derroche de energía, y apoyo a la investigación, tanto en la búsqueda de
nuevas fuentes limpias como en la mejora de las ya existentes.
4.3 Rentabilidad de las energías no convencionales
Si efectuamos un estudio estrictamente económico de la relación que existe entre gastos de
explotación y capacidad energética de las nuevas energías, es muy probable que, exceptuando
las instalaciones de autoconsumo, la rentabilidad sea muy inferior a la que proporcionan las
energías convencionales.
Ahora bien, si en nuestro estudio consideramos otros factores, las diferencias de rentabilidad no
aparecen tan claras. Los factores que se deben tener en cuenta son los siguientes:
•
Costes sociales debidos a enfermedades, que son soportados por
la sanidad de los gobiernos, compañías de seguros particulares.
• Costes de prevención de riesgos laborales: son gastos obligatorios
en muchos casos (minería, personal de las centrales nucleares…).
• Costes de seguridad: refuerzos en estructuras, sistemas de
control, medios de transporte de residuos, sistemas de vigilancia,
etcétera.
• Costes ecológicos y medioambientales: extinción de especies,
contaminación… Resultan incalculables económicamente.
• Costes futuros: considerando la escasez de recursos
convencionales que habrá en el futuro, parece lógico pensar que la consecuencia será el
aumento de precio de éstos.
ACTIVIDAD 6.
6. Valora las siguientes
opciones para el destino de
los residuos radiactivos:
enterramiento,
confinamiento en superficie,
depósito en fosas marinas o
envío al espacio exterior.
6
LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES
5 Transporte y distribución de la energía eléctrica
Seguramente te habrás dado cuenta de que los lugares donde se ubican las centrales eléctricas
suelen estar, en muchos casos, lejos de los puntos de consumo final. Unas veces, por razones
de seguridad (como ocurre en las centrales nucleares); otras, por necesidades de espacio
(centrales solares); y otras, por motivos físicos y orográficos (centrales hidráulicas, parque
eólicos y centrales maremotrices).
La energía eléctrica no se puede almacenar; por tanto hay que transportarla desde donde se
produce (central hidroeléctrica, eólica, etc.) hasta donde se consume: industria y núcleos
urbanos. El transporte de la energía eléctrica implica tres procesos:
•
Elevación del voltaje: debido a las grandes distancias que la
electricidad ha de recorrer, y con objeto de que no existan pérdidas
de energía significativas (por calor), e voltaje de salida de la central
se eleva mediante transformadores a unos valores muy altos, que
pueden variar entre 200.000 y 400.000 voltios.
• Diseño y construcción de la ruta de cables de alta tensión: por
medio de torretas que sostienen los cables.
• Reducción del voltaje: se instalan subestaciones1 de
transformación entre la línea de alta tensión y el consumidor final.
Estas, mediante transformadores, reducen el voltaje a unos 5.000 V.
• A partir de aquí comienza la fase de distribución a los hogares,
oficinas, industrias e instalaciones públicas (alumbrado, semáforos,
etc.) por medio de postes o bien a través de canalizaciones
subterráneas. En esta etapa, el voltaje se reduce hasta alcanzar
valores situados entre 120 y 380 voltios, dependiendo de su destino
final; además, la electricidad, antes de llegar al aparato que la va a
utilizar, pasa por una especie de instalaciones intermedias: contadores, instalaciones de
seguridad, caja de derivación, cuadros de mando y protección, etcétera.
ACTIVIDAD 7.
7. ¿Qué propiedades fundamentales crees que deben tener los conductoresutilizados
en una línea aérea de transporte de energía eléctrica?
subestación eléctrica: es una pequeña instalación donde se ubican transformadores cuya función es aumentar o reducir el
voltaje de la línea.
1
7
LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES
Actividades
8. ¿Qué es mayor, la energía necesaria para elevar
12. Indica dos ventajas y dos inconvenientes de la
energía nuclear. Explica tus respuestas.
un objeto a una cierta altura o la energía potencial
que ha acumulado? ¿Por qué? ¿Qué relación ves
con la central hidroeléctrica del bombeo?
13. Busca en esta sopa de letras seis tipos
decentrales eléctricas:
9. Nombra las fuentes de energía que aparecen en el
dibujo anterior
14. ¿Cómo puedes ahorrar energía en tu casa?
¿Y entu centro de estudios?
10. Indica ¿cuál de estas afirmaciones es verdadera y
cuál falsa? Razona cada respuesta:
i.
La energía es única.
ii.
Una central hidroeléctrica es un tipo de central
térmica.
iii.
La energía sólo tiene una unidad.
iv. Las fuentes de energía, según su uso en los
países industrializados, se clasifican en renovables
y no renovables.
v. La energía eléctrica es un tipo de energía
renovable.
vi. La energía nuclear es un tipo de energía
convencional.
11. ¿Qué relación existe entre el desarrollo
tecnológico y el consumo de energía?
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