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Física y Química 3º ESO: guía interactiva para la resolución de ejercicios LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Fuentes de energía I.E.S. Élaios Departamento.

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1 Física y Química 3º ESO: guía interactiva para la resolución de ejercicios LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Fuentes de energía I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

2 Índice Ejercicio 1 Ejercicio Ejercicio 2 Ejercicio Ejercicio 3 Ejercicio Ejercicio 4 Ejercicio Ejercicio 5 Ejercicio Ejercicio 6 Ejercicio Ejercicio 7 Ejercicio Ejercicio 8 Ejercicio Ejercicio 9 Ejercicio Ejercicio 10 Ejercicio Ejercicio 11 Ejercicio Ejercicio 12 Ejercicio Ejercicio 13 Ejercicio Ejercicio 14 Ejercicio Ejercicio 15 Ejercicio Ejercicio 16 Ejercicio Ejercicio 17 Ejercicio Ejercicio 18 Ejercicio Ejercicio 19 Ejercicio Ejercicio 20 Ejercicio Ejercicio 21 Ejercicio Energías renovables y no renovables en España Energía nuclear Energías renovables

3 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Ayuda Las fuentes de energía se pueden clasificar en renovables y no renovables. Las fuentes de energía renovables se consideran inagotables, mientras que las no renovables son limitadas y tarde o temprano se agotarán. Los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y la energía nuclear son fuentes de energía no renovables. Se trata de energías sucias, ya que contaminan el medio y generan residuos contaminantes. Tienen la ventaja de que producen gran cantidad de energía por unidad de tiempo. La energía hidráulica, la eólica, la energía de las olas y las mareas, la energía solar, la energía geotérmica y la biomasa son fuentes de energía renovables. Suelen ser energías limpias, repartidas por todo el planeta. Tienen el inconveniente de que generan poca energía por unidad de tiempo.

4 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Ayuda La fusión nuclear es un ejemplo de reacción nuclear. Las reacciones nucleares son distintas de las reacciones químicas. En una reacción química, como la combustión del gas butano, se forman moléculas nuevas a causa de la reordenación de los átomos, pero éstos no cambian. En una reacción nuclear los átomos cambian y se forman nuevos elementos. Por ejemplo, la fusión de un núcleo de deuterio ( ) y de un núcleo de tritio ( ) produce un núcleo de helio ( ): En las centrales nucleares se produce otra clase de reacción nuclear llamada fisión nuclear (rotura). En una reacción de fisión el núcleo de un átomo grande se rompe en dos partes más o menos iguales. En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía. Fusión deuterio tritio helio neutrón Uranio-235

5 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 1 (a) Clasifica las siguientes energías en renovables y no renovables. (b) Las fuentes de energía también se pueden clasificar según cuál sea su origen: el interior de la Tierra o fuera de la Tierra, como la producida por la gravitación (de la Luna y el Sol) y la energía radiante que proviene del Sol. Clasifica las siguientes energías según su origen. Combustibles fósiles Energía nuclear Energía eólica Energía de las olas Energía de las mareas Energía geotérmica Energía solar Energía de la biomasa Energía hidráulica # Contesta al apartado (a) Energía no renovable Energía renovable # Contesta al apartado (b) Interior de la Tierra Fuera de la Tierra

6 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 2 El gráfico muestra la producción de energía primaria en España en el periodo Vemos que aparece, para cada uno de los años, los porcentajes procedentes de los combustibles fósiles, de la energía nuclear y de las energías renovables (sólo la energía hidráulica). (a) El porcentaje asociado a los combustibles fósiles ¿aumenta o disminuye a lo largo del periodo considerado? (b) ¿Y el porcentaje de la energía nuclear? (c) Comenta brevemente el porcentaje de las energía renovables. # Contesta a los apartados (a) y (b). Vemos que el porcentaje de los combustibles fósiles disminuye paulatinamente a lo largo del periodo considerado, al tiempo que el porcentaje de la energía nuclear, con la excepción de 1996, va aumentando. # Contesta al apartado (c). A pesar de que sólo se ha considerado la energía hidráulica, se observa que la contribución de las energías renovables a la producción de energía primaria es cada vez más importante.

7 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 3 El gráfico muestra el consumo de energía primaria en España en el periodo Vemos que aparece, para cada uno de los años, las cantidades procedentes de los combustibles fósiles, de la energía nuclear y de las energías renovables (sólo la energía hidráulica). Observa que se utiliza una unidad de medida especial (ktep). Comenta brevemente los aspectos que consideres más relevantes en relación al consumo de los tres tipos de energía. Se observa que los consumos de energía nuclear y de energías renovables se han mantenido casi constantes en el periodo considerado. Al mismo tiempo, el consumo de combustibles fósiles no ha cesado de aumentar.

8 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 4 El gráfico muestra la energía eléctrica producida en España por fuentes renovables y fuentes no renovables. (a) Vemos que el uso de la energía nuclear para producir electricidad apenas cambia. ¿Cuántos millones de kWh son, aproximadamente, de origen nuclear? (b) ¿Por qué la energía eléctrica producida por fuentes renovables es variable? (c) La producción de energía eléctrica en conjunto ¿aumenta o disminuye? ¿A qué crees que es debido? # Contesta al apartado (a). Vemos en el gráfico que se producen algo más millones de kWh. # Contesta al apartado (b). El uso de fuentes renovables depende de factores estacionales: temperaturas, vientos, lluvias, … Por lo tanto, la producción de energía eléctrica será variable. # Contesta al apartado (c). La producción total de energía eléctrica aumenta debido a que cada vez hay más demanda y consumo.

9 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química El consumo de R.S.U. aumenta casi dos veces y media. EJERCICIO 5 A partir de los datos de la siguiente tabla, o del correspondiente gráfico de barras, contesta a las siguientes preguntas: (a) ¿Para qué dos tipos de energía es mayor la previsión de crecimiento hasta el año 2010? (b) ¿Cómo evoluciona, en el periodo considerado, el uso de los residuos sólidos urbanos (R.S.U.)? (c) ¿Qué tipo de energía no es previsible que se desarrolle de ahora al año 2010? (a) (b)(c)

10 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química # Tienes que decidir, en primer lugar, en qué procesos existe una reordenación de los átomos y en cuáles se produce elementos nuevos. EJERCICIO 6 En los siguientes procesos se libera energía: I. CH O 2 CO H 2 O; II. Be + He C; III. 2 H 2 + O 2 2 H 2 O; IV. H + H He. Clasifica dichos procesos en reacciones químicas y reacciones nucleares. Justifica la respuesta. I. y III. II. y IV. # Clasifica ahora los procesos en reacciones químicas y nucleares. Reacciones químicas Reacciones nucleares

11 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 7 En el cuadro de abajo se muestra dos ecuaciones. Ambas suponen la rotura de algún tipo de partícula: moléculas o núcleos atómicos. (a) ¿Cuál de ellas es una reacción química y cuál una reacción nuclear? Justifica la respuesta. (b) La reacción nuclear ¿es de fusión o de fisión? ¿Por qué? 2 NH 4 NO 3 N NO + 4 H 2 O nitrato de amonio nitrógeno monóxido agua de nitrógeno U Ba + Kr uranio bario criptón # Contesta al apartado (a). En el primer proceso se produce la rotura de la molécula de nitrato de amonio y las reordenación de los átomos; se trata de una reacción química. En el segundo proceso un núcleo de uranio se rompe en otros dos: un núcleo de bario y un núcleo de criptón; es una reacción nuclear. # Contesta al apartado (b). Se trata de una reacción nuclear de fisión: ha habido la rotura de un núcleo.

12 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 8 La figura muestra el esquema de una central nuclear. Se pide que identifiques en dicho esquema los elementos de la central que se indican en la columna de la izquierda. Barras de control Elementos combustibles Cubierta de hormigón Bombas de agua Intercambiador de calor Turbina Generador Torres de refrigeración Condensador Generador de vapor

13 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 9 En el diagrama siguiente se muestra los cambios de energía que tienen lugar en una central nuclear. Rellena el diagrama con los términos de la lista. Reactor Intercambiador de calorTurbinaGenerador energía térmica y energía cinética del vapor 1 energía eléctrica 2 energía nuclear del combustible 3 pérdida de energía térmica por conducción 4 pérdida de energía térmica en el condensador 5 pérdida de energía por fricción entre la turbina y el generador 6 energía cinética del eje de las turbinas 7 energía térmica del líquido del reactor

14 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 10 (a) La fisión de un núcleo de uranio-235 libera 3, J de energía. Si un gramo de uranio-235 contiene 2, átomos ¿cuánta energía se podría liberar si todos los átomos se fisionaran? (b) Si una tonelada de carbón puede producir 2, J de energía ¿cuánto carbón haría falta para producir la misma cantidad de energía que un gramo de uranio-235? # Contesta al apartado (a). Energía = número de núcleos x energía liberada por núcleo E = 2, núcleos x 3, J/núcleo = 8, J # Escribe la proporción adecuada y contesta al apartado (b).

15 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 11 En la tabla se indica las centrales nucleares que se encuentran actualmente en funcionamiento en España, con indicación del tipo de reactor: agua a presión (PWR) o agua en ebullición (BWR), así como de la potencia y de la energía producida en el año (a) Indica las tres centrales de mayor potencia y las tres de menor potencia. (b) Repite el apartado anterior respecto a la energía producida. (c) ¿Coinciden las respuestas dadas en los dos apartados anteriores? ¿Por qué? Centrales nucleares en España Nombre y tipoLocalizaciónPotencia (MW) Energía producida (millones de kWh) Almaraz I (PWR)Cáceres973,57765 Almaraz II (PWR)Cáceres982,67682 Ascó I (PWR)Tarragona Ascó II (PWR)Tarragona976,28795 Cofrentes (BWR)Valencia1025,47715 J. Cabrera (PWR)Guadalajara S. M. Garoña (BWR)Burgos Trillo I (PWR)Guadalajara Vandellós II (PWR)Tarragona (a)(b) (c) No coinciden las respuestas porque no habrán estado funcionando el mismo tiempo debido a paradas técnicas.

16 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Energía eléctrica Energías térmica y sonora en la turbina y el generador Energías térmica y sonora del agua al caer Energía cinética de rotación del eje de la turbina Energías cinética y potencial del agua que cae EJERCICIO 12 La figura muestra el esquema de una central hidroeléctrica. A partir de la información suministrada en dicho esquema, y mediante un diagrama de flujo, explica las transferencias de energía que tienen lugar cuando se produce energía eléctrica en una de estas centrales. Energía potencial del agua almacenada

17 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 13 ¿Qué masa de agua tiene que fluir cada segundo para generar 2,25 MW si el agua se almacena en una presa de 50 m de altura? Supón que el rendimiento de la turbina y el generador es del 90%. Contesta a partir del esquema de cálculo mostrado a continuación. Potencia disponible = energía potencial transferida por segundo = gh = masa de agua que cae por segundo (kg/s) g = 9,8 N/kg h = la altura desde la que cae el agua Potencia utilizada = potencia disponible Cálculo de energía de un proyecto hidroeléctrico # Expresa la potencia utilizada en función de la energía potencial y del rendimiento. Potencia utilizada = gh·rendimiento # Expresa la masa que cae por segundo en función de las otras magnitudes y realiza los cálculos pertinentes.

18 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 14 Con la ayuda del esquema de la figura, explica cómo funciona una central mareomotriz (como la instalada en el estuario del Rance en la Bretaña francesa, que tiene una potencia de 240 MW)

19 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 15 Se sabe que un mecanismo de energía de olas puede extraer el 45% de la energía transportada por las olas. Si dicho mecanismo se instalara en olas que tuvieran una potencia de 80 kW por metro de fachada, ¿cuál sería la potencia utilizable a lo largo de un emplazamiento de 25 km de longitud? # Calcula la potencia de las olas en la instalación. Potencia = Potencia por metro x longitud = = 80 kW/m x m = kW # Calcula la potencia que se puede extraer de las olas. Potencia utilizable = Potencia x rendimiento = = kW x 0,45 = kW El rendimiento en términos de energía es el mismo que el rendimiento en términos de potencia.

20 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 16 El uso de la energía eólica para la producción de energía eléctrica está cada vez más extendido en los países de la UE. El cuadro muestra la potencia eólica instalada en el año (a) ¿Qué país de la UE tiene más potencia eólica instalada? ¿Qué lugar ocupa España? (b) ¿Qué país de la UE tiene más potencia eólica instalada por cada 1000 habitantes? ¿Y menos? (c) ¿Qué lugar ocupa España respecto a la potencia eólica instalada por cada 1000 habitantes? (a) 1º 2º (b) 1º Último (c) Ocupa el tercer puesto, con 0,0912 MW/1000 hab.

21 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 17 El ángulo de inclinación de un panel solar afecta mucho a la cantidad de energía que recibe en distintas épocas del año. La tabla de datos indica el efecto de los distintos ángulos de inclinación en algunos meses. (a) ¿Qué ángulo de inclinación sería ideal para un panel solar en abril? (b) ¿Es mejor tener el panel solar inclinado un ángulo de 40º o un ángulo de 60º para todos los meses indicados en la tabla? Razona tu respuesta. (c) ¿Cuál es la máxima cantidad de energía que un panel de 4 m 2 podría recibir en un día del mes de junio? Máxima entrada de energía diaria para un panel de 1 m 2 (MJ) MesÁngulo de inclinación 20º40º60º Abril23,824,822,7 Junio29,227,422,3 Agosto25,626,322,7 (a) El ángulo de inclinación ideal para el mes de abril es de 40º. (b) Es mejor el ángulo de 40º, ya que la energía recibida es mayor en todos los meses de la tabla. En junio la máxima entrada de energía se produce para un ángulo de 20º. Energía = 29,2 x 4 = 116,8 MJ (c)

22 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 18 En ocasiones, cuando no es posible la producción a gran escala de electricidad mediante las energías renovables, se pueden usar para conseguir cantidades útiles de agua caliente para uso doméstico. La tabla muestra los datos correspondientes al citado uso en España y su proyección para el año Calcula la variación prevista para el periodo y el porcentaje de variación respecto al año Analiza los resultados obtenidos. PRODUCCIÓN TÉRMICA CON ENERGÍAS RENOVABLES EN ESPAÑA Datos en ktep Diferencia Variación porcentual (%) Biomasa (**) Biocarburantes Solar térmica Geotérmica4583 TOTAL (**)Incluye biogás térmico. Fuente: IDAE # Halla la diferencia entre las producciones de 2010 y # Divide la diferencia anterior entre la producción del año 2000 y multiplica este cociente por % 880% 984% -63% 51% Para el periodo se espera un aumento global en la producción superior al 50%.

23 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 19 Lee con atención el siguiente texto y contesta a las preguntas: (a) ¿Qué país fue el mayor productor mundial de células fotovoltaicas? ¿Y el mayor productor de la UE? (b) ¿Qué posición ocupa España respecto a la potencia fotovoltaica instalada? (c) ¿Qué dificultades presenta el desarrollo futuro de esta energía renovable en la UE? En 2002 la producción mundial de células fotovoltaicas aumento un 33,3% y alcanzó los 535 MWp. La posición de liderazgo en el sector corresponde a los fabricantes japoneses, con una producción de 251 MWp en células fotovoltaicas. Entre los países productores de la UE, Alemania (57 MWp) se sitúa como el mercado más importante, por delante de España (44,1 MWp). En total, en la UE se instalaron 392 MWp en 2002, destacando el crecimiento del mercado alemán, seguido del holandés. España ocupa la cuarta posición (19,3 MWp) en la clasificación de plantas fotovoltaicas instaladas. Pese a este crecimiento, el futuro de la energía fotovoltaica es todavía frágil. Para finales de 2003 se puede esperar una potencia total en torno a los 520 MWp en la UE, por lo que no se alcanzará el objetivo de 650 MWp. Este retraso se debe a la demora en la puesta en marcha de los programas nacionales de ayuda a la energía solar fotovoltaica (tarifas de compra y subvenciones) en Italia, Gran Bretaña, España y Francia; y, en algunos casos, a la falta de voluntad política de llevar dichos programas a la práctica. (a) (b) (c)

24 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 20 Como sabes, el biogás se produce mediante la digestión anaeróbica de los desperdicios orgánicos. El biogás contiene un 60% de metano, que es el combustible, y un 40% de dióxido de carbono. Además, deja un residuo útil como fertilizante. Los países que más han desarrollado la producción de biogás son India (con generadores) y China ( con generadores). Para que tengas una idea de la energía contenida en el biogás, recuerda que 1 m 3 del mismo permite: cocinar para 10 personas la comida de un día, iluminar durante 6 horas como lo haría una bombilla de 60 W o generar 1,25 kWh de electricidad. Una familia hindú necesita para cocinar alrededor de 3 m 3 de metano al día. Cada kilogramo de boñiga produce 0,034 m 3 de metano y una vaca suministra 7 kg de boñiga al día. ¿Cuántas vacas necesita la familia hindú para obtener todo el metano que precisa a partir de boñiga? # Calcula la masa de boñiga que se necesita. # Halla el número de vacas que se precisa.

25 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 21 Las figuras muestran dos aplicaciones de la energía geotérmica: una de baja temperatura y otra de alta temperatura. Indica cuál corresponde a cada una de ellas. ¿Por qué son necesarias temperaturas altas de las rocas y del agua subterránea si se quiere obtener electricidad de las fuentes geotérmicas? Energía geotérmica De baja temperaturaDe alta temperatura Son necesarias temperaturas altas para que el agua esté vaporizada y pueda mover las turbinas.


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