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Energía Ciencia y Sociedad Drs. Enrique Bazúa Rueda y Andoni Garritz Ruiz Facultad de Química, UNAM 28 de septiembre de 2006.

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1 Energía Ciencia y Sociedad Drs. Enrique Bazúa Rueda y Andoni Garritz Ruiz Facultad de Química, UNAM 28 de septiembre de 2006

2 2 Contenido Conceptos básicos Formas de energía La cadena de la energía

3 3 Contenido Conceptos básicos Formas de energía La cadena de la energía

4 4 Conceptos básicos de la energía (1/2) La energía: Permite al universo mantenerse en movimiento Hace posible las funciones de los seres vivos Influye de manera decisiva en las actividades humanas Hace funcionar los aparatos, equipos, dispositivos, etc. formas transformaciones Estos hechos involucran diferentes formas y transformaciones de energía, de una forma de energía a otra. La energía se encuentra en todas partes (todos los cuerpos tienen energía). formas y transformarse en otra. Para que ocurra un cambio o fenómeno en la natu- raleza, debe participar la energía en alguna de sus formas y transformarse en otra.

5 5 Conceptos básicos de la energía (2/2) En todo proceso la energía total se conserva. La energía total final es igual a la energía total inicial. E final = E inicial. La energía no aparece por generación espontánea ni desapa- rece o se destruye. Cuando la energía se transforma de una forma a otra, la cantidad de energía en su nueva forma es igual a la cantidad de energía que tenía en su forma anterior. Cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro, la energía que gana uno de los cuerpos es igual a la energía que pierde el otro cuerpo. E gana = - E pierde La transformación de la energía de una forma a otra la debemos utilizar en nuestro beneficio, pero con el cuidado del ambiente, es decir sosteniblemente.

6 6 Energía total La Energía total es una variable de estado, es decir, una propiedad con un valor que depende del estado en curso del sistema (definido por su presión, tem- peratura y composición) y que es independiente de la forma en que ese sistema llegó a tal estado. La energía total de un cuerpo está compuesta por lo menos de tres contribuciones: Energía cinética del cuerpo (si posee un movimiento) Energía potencial gravitacional del cuerpo (por su posición con relación a un plano horizontal) Energía Interna del cuerpo (en sus partículas) Enseguida se aclara lo que es la energía interna.

7 7 Contenido Conceptos básicos Formas de energía La cadena de la energía

8 8 La Energía que se transfiere de un cuerpo a otro cuerpo tiene alguna de las siguientes formas: Energía térmica = Calor una forma del calor es la energía radiante (solar, electromagnética, radiación luminosa) Energía mecánica = Trabajo Energía eléctrica Energía sonora (ruido, ondas sísmicas) Formas de energía

9 9 La ENERGÍA INTERNA es la energía que tienen los cuerpos, asociada a los átomos, moléculas o partí- culas que los constituyen. Las contribuciones a la energía interna son: Energía cinética (microscópica) de los átomos, iones, molé- culas o arreglos cristalinos. Energía potencial (microscópica) de interacción entre las partículas. Energía química (de los enlaces entre los átomos que se forman en las moléculas o en los arreglos cristalinos). Energía de electrones y núcleo de los átomos. Energía Interna (1/2)

10 10 Los cuerpos están constituidos por partículas; sean éstas moléculas, iones o átomos. Al combinar los átomos para formar una sustancia, se crean los enlaces químicos. Por cada enlace que se forma se libera energía. Por cada enlace que se forma se libera energía. Por cada enlace que se rompe se requiere energía. Por cada enlace que se rompe se requiere energía. En las reacciones químicas se rompen y se crean enlaces. En las reacciones químicas se rompen y se crean enlaces. El calor de la reacción es la suma de la energía requerida para romper enlaces menos la energía que se libera al formar enlaces. A esta contribución a la Energía Interna se le nombra comoEnergía Química. A esta contribución a la Energía Interna se le nombra comoEnergía Química. Energía Interna (2/2)

11 11 La ENERGÍA está presente en nuestra vida diaria (1/3) La observamos de diferentes formas y vemos su transformación de una forma a otra La energía eléctrica que llega a nuestras casas se transforma en: energía luminosa y térmica (calor) de los focos energía sonora de la radio energía mecánica (trabajo) de los motores (refrigerador, lavadora, licuadora, grabadora, …) energía electromagnética del horno de microondas La energía química de la gasolina se transforma en: energía cinética del coche en movimiento La energía química del gas doméstico se transforma en : energía térmica (calor) para cocinar los alimentos o calentar el agua para bañarnos

12 12 La ENERGÍA está presente en nuestra vida diaria (2/3) La energía de la radiación solar se transforma en: energía química de las plantas (fotosíntesis) elevación de la temperatura atmosférica (gases de efecto invernadero) energía eléctrica (fotocelda solar) La energía química de los alimentos se transforma en: energía cinética (movimiento) del cuerpo energía mecánica (trabajo muscular) para levantarnos, subir y cargar objetos, … energía térmica para mantener la temperatura del cuerpo energía que necesitamos para desarrollar todas nuestras actividades

13 13 La ENERGÍA está presente en nuestra vida diaria (3/3) La energía térmica se expresa primero en forma de calor, en cualquiera de sus tres maneras de propagar- se: Conducción (cuando un cuerpo conduce el calor debido a que sus partículas constituyentes vibran y chocan con las vecinas). Convección (cuando en un líquido se conduce el calor debido a un gradiente de temperatura en su interior, que hace que se formen corrientes convectivas en el fluido). Radiación (cuando fluye en forma de energía electromagnética). La energía térmica, entonces, se acaba convirtiendo en energía interna del sistema, al incrementarse la tempe- ratura del objeto. La barra de metal posee al final más temperatura que al inicio. El líquido, debido a las corrientes convectivas, tiene al final mayor temperatura que al inicio. El objeto irradiado tiene al final más temperatura que al inicio.

14 14 Energía química de combustión del metano CH O 2 CO H 2 O Rompimiento de los enlaces de los reactivos = 2640 kJ Formación de los enlaces de los productos = kJ Energía neta = = kJ/(mol metano) Energía liberada por cada 16 gramos de metano que se queman

15 15 Ejemplo 1: El petróleo Diccionario de la Lengua Española Líquido natural oleaginoso e inflamable, constituido por una mezcla de hidrocarburos, que se extrae de lechos geológicos continentales o marítimos. Productos petrolíferos Mediante diversas operaciones de destilación y refi- nación se obtienen de él distintos productos, utiliza- bles con fines energéticos o industriales, como el gas natural, la gasolina, la nafta, el queroseno, el gasóleo, el chapopote, etc.

16 16 Del Petróleo a la Gasolina Yacimiento de petróleo Plataforma de producción Refinería Planta de separación aceite-gas Gasolinería

17 17 Usos energéticos de los productos del petróleo GasolinaVehículos TurbosinaAviones Gas licuadoCasasVehículosCalderas Gas NaturalElectricidadVehículosCasas DieselVehículos CombustóleoElectricidad CoqueElectricidad QuerosenoCalderas

18 18 La combustión del petróleo y de sus deriva- dos en la industria o el transporte, así como del carbón o del combustóleo en las plantas termoeléctricas, libera CO 2, que es un gas de efecto invernadero. Estos gases atrapan la radiación infrarroja emitida por la Tierra hacia el espacio exte- rior, con lo cual se eleva la temperatura de la atmósfera. La liberación de gases invernadero

19 19

20 20 Liberación de CO 2 per cápita, por países México: 5.7 toneladas per cápita en 1995, o sea unos 530 millones de toneladas por año

21 21 Ejemplo 2: Energía nuclear Al transformarse en energía parcialmente la masa de las partículas nucleares de un combustible nuclear se libe- ra la llamada Energía Nuclear. Dicha energía puede ser térmica o electro-magnética.

22 22 Ejemplo: Energía nuclear Puede tratarse de una energía más o menos controlada o la de una explosión nuclear

23 23 Planta nucleoeléctrica El diseño CANDU consiste de una calandria que tiene tubos con combustible nuclear (óxido de uranio, por ejemplo) y agua pesada como fluido enfriador.

24 24 Planta nuclear de fusión de Culham, Inglaterra (1991)

25 25 Planta nuclear de fusión en construcción en Cadarache, Francia

26 26 Ejemplo 3: Energía solar Es radiación electro- magnética (una forma del calor) Las plantas la aprove- chan en la fotosíntesis La vida existe en la Tierra gracias a la ener- gía solar Calienta los gases de la atmósfera La celda fotovoltaica la transforma en ener-gía eléctrica El calentador solar la aprovecha como ener- gía térmica y calienta al agua

27 27 Fotosíntesis (modelo simplificado) Reacción de la fotosíntesis (proceso global de producción de glucosa) 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 Energía de la reacción química (energía química) 1.Rompimiento de los enlaces de los reactivos: 6 (2 801) + 6 (2 482) = 15,396 kJ 2.Formación de los enlaces de los productos: ( ) + (6 494) = - 12,561 kJ 3. Energía neta = 15,396 – 12,561 = kJ/mol glucosa La reacción es endotérmica. Para la formación de un mol de glucosa (180 g) se requieren de 2835 kJ de energía solar que será absorbida por la planta La reacción es endotérmica. Para la formación de un mol de glucosa (180 g) se requieren de 2835 kJ de energía solar que será absorbida por la planta.

28 28 Ejemplo 4: La energía eléctrica La energía eléctrica se produce: Por el sol fotovoltaica Por el sol fotovoltaica Por el viento eólica Por el viento eólica Presas (agua) hidroeléctrica Presas (agua) hidroeléctrica Combustible termoeléctrica Combustible termoeléctrica Acuíferos subterráneos geotérmica Acuíferos subterráneos geotérmica Combustible nuclear nucleoeléctrica Combustible nuclear nucleoeléctrica La energía eléctrica: Se produce cuando se necesita Se produce cuando se necesita Si hay mayor demanda, se ponen a funcionar más plantas eléctricas Si hay mayor demanda, se ponen a funcionar más plantas eléctricas Se transmite de las centrales gene- radoras a los centros de consumo Se transmite de las centrales gene- radoras a los centros de consumo En nuestro hogar la consumen los aparatos eléctricos y la transfor- man en otras formas de energía En nuestro hogar la consumen los aparatos eléctricos y la transfor- man en otras formas de energía

29 29 Energía eólica (viento) El calentamiento de la atmósfera y la rotación de la tierra provocan corrientes masivas de aire La energía cinética (velocidad) del aire se transfiere a las aspas como energía cinética La energía cinética de las aspas hace girar el generador eléctrico Energía cinética del aire (viento) Energía eléctrica Generador eléctrico

30 30 Energía hidroeléctrica La energía potencial del agua se convierte en energía cinética del agua en el tubo de entrada. La energía cinética del agua se transfiere a las aspas de la turbina como energía cinética. La energía cinética de la turbina hace girar al generador eléctrico

31 31 Planta termoeléctrica para generación de energía eléctrica Gases de chimenea Aire Vapor de agua Gas natural Condensado Energía del gas natural Energía eléctrica Turbina de gas Condensador Compresor Generador eléctrico Caldera de producción de vapor de agua Cámara de combustión Turbina de vapor Generador eléctrico Bomba 50% 15% 35%

32 32 Planta termoeléctrica para generación de energía eléctrica Cámara de combustión: Se alimenta gas natural (princi- palmente metano) a alta presión y se combina con aire comprimido. Se lleva a cabo la combustión y se producen gases de combustión a alta presión y alta temperatura. La combustión es adiabática (no hay transferencia de calor). Energía química del Energía cinética de las moléculas gas natural de los gases de combustión gas natural de los gases de combustión (ENERGÍA INTERNA) (ENERGÍA INTERNA) Turbina de gas : Los gases de combustión (alta presión y temperatura) transfieren parte de su energía interna a las aspas de la turbina de gas y las hacen girar. Las aspas están unidas al rotor. El rotor realiza trabajo sobre el compresor de aire y el generador eléctrico. Energía interna Energía cinéticaTrabajo al de los gases de de las aspas decompresor de aire combustión la turbina de gasy generador eléctrico

33 33 Planta termoeléctrica para generación de energía eléctrica Compresor de aire: El eje de la turbina de gas acciona al compresor de aire. La energía mecánica (Trabajo) que le transfiere la turbina de gas al compresor la utiliza éste para comprimir al aire (aumentan la presión y la temperatura del aire). El trabajo realizado incrementa la energía interna del aire Trabajo de la Energía cinética del Energía interna Trabajo de la Energía cinética del Energía interna turbina de gas rotor del compresor del aire Generador eléctrico: El eje de la turbina de gas acciona al generador eléctrico. La energía mecánica (Trabajo) que le transfiere la turbina de gas al generador eléctrico se transforma en energía eléctrica por la acción de los campos magnéticos Trabajo de la turbina de gas Energía eléctrica Trabajo de la turbina de gas Energía eléctrica

34 89 Turbina de gas

35 35 La energía eléctrica la utilizamos en el hogar para:en máquinas:

36 36 Consumo eléctrico en el hogar Ejemplo: Consumo de energía eléctrica de una televisión Tenemos una televisión que tiene un consumo de 220 W. Éste número es la potencia (energía por unidad de tiempo) El consumo de energía de la televisión dependerá de cuanto tiempo la tenemos prendida. Si la tenemos prendida 4 horas al día, el consumo de energía de la televisión en un día es de: (220 W) (4 Horas) = 880 W hora = 0.88 kW hora = 0.88 kW h En un bimestre (60 días) el consumo de energía eléctrica de la televisión es de: (0.88) (60) = 52.8 kW h Este consumo de energía eléctrica viene reflejado en el recibo de Luz y Fuerza del Centro ( o CFE)

37 37 Consumo eléctrico en el hogar Aparato eléctrico Potencia (W) Número de horas diarias de uso Consumo de energía eléctrica en un bimestre (kW h) Focos 10 focos de 60 W c/u 5(10*60*5)*60/ Televisión 2204(220*4)*60/ Refrigerador 4006(400*6)*60/ Plancha (1000*0.5)*60/ Cafetera (850*0.25)*60/ TOTAL419.6

38 38 Contenido Conceptos básicos Formas de energía La cadena de la energía

39 39 La cadena de la energía está formada por los siguientes elementos: La cadena de la energía está formada por los siguientes elementos: Fuentes primarias de energía Fuentes primarias de energía Fuentes secundarias de energía Fuentes secundarias de energía Usuarios de la energía Usuarios de la energía Las FUENTES PRIMARIAS de energía son los recursos disponibles en la naturaleza para abastecer las necesidades de energía que demandan nuestras actividades. Casi siempre las transformamos en otras formas de energía para poder aprovecharlas. Las clasificamos en fuentes renovables y no- renovables. Debemos promover la utilización de las fuentes renovables. Las FUENTES PRIMARIAS de energía son los recursos disponibles en la naturaleza para abastecer las necesidades de energía que demandan nuestras actividades. Casi siempre las transformamos en otras formas de energía para poder aprovecharlas. Las clasificamos en fuentes renovables y no- renovables. Debemos promover la utilización de las fuentes renovables. La cadena de la energía (1/3) Fuentes renovablesFuentes no-renovables Radiación solar Biomasa Hidráulica Eólica (viento) Geotérmica Petróleo y Gas Carbón Uranio (nuclear)

40 40 La cadena de la energía está formada por los siguientes elementos: La cadena de la energía está formada por los siguientes elementos: Fuentes primarias de energía Fuentes primarias de energía Fuentes secundarias de energía Fuentes secundarias de energía Usuarios de la energía Usuarios de la energía Las FUENTES SECUNDARIAS de energía las obtenemos de las fuentes primarias (transformación de una forma de energía en otra). Son las fuentes directas de energía que aprovechamos para nuestras actividades. Será una energía renovable si proviene de una FUENTE PRIMARIA DE ENERGÍA RENOVABLE. Las FUENTES SECUNDARIAS de energía las obtenemos de las fuentes primarias (transformación de una forma de energía en otra). Son las fuentes directas de energía que aprovechamos para nuestras actividades. Será una energía renovable si proviene de una FUENTE PRIMARIA DE ENERGÍA RENOVABLE. Las FUENTES SECUNDARIAS DE ENERGÍA son: Las FUENTES SECUNDARIAS DE ENERGÍA son: Biomasa Biomasa Electricidad Electricidad Productos petrolíferos Productos petrolíferos La cadena de la energía (2/3)

41 41 La cadena de la energía (3/3) Fuentes primarias de energía Fuentes secundarias de energía Usuarios de la energía Están disponibles en la naturaleza Se obtienen de las fuentes primarias La usamos en nuestro beneficio Radiación solar Biomasa Hidráulica Eólica (Viento) Geotérmica Petróleo y gas Carbón Uranio (Nuclear) Biomasa Electricidad Gasolina Diesel Turbosina Queroseno Combustóleo Gas natural Gas licuado Alimentos Aparatos eléctricos Automóviles Camiones Aviones Estufas Calentadores

42 SENER: (2002)42 Fuentes de energía primaria en México

43 SENER: (2002)43 Fuentes de energía primaria para generar energía eléctrica en México

44 SENER: (2002)44 Consumo final de energía en México por sectores

45 SENER: (2002)45 Consumo final de energía en México por tipo de combustible

46 46 Energía en la WEB

47 47 ¡ Gracias !


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