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

Contenido Conceptos básicos Formas de energía La cadena de la energía

Contenido Conceptos básicos Formas de energía La cadena de la energía

Conceptos básicos de la energía (1/2) 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. 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). Para que ocurra un cambio o fenómeno en la natu-raleza, debe participar la energía en alguna de sus formas y transformarse en otra.

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. Efinal = Einicial. 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. Egana = - Epierde 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.

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.

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Formas de energía 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)

Energía Interna (1/2) Las contribuciones a la energía interna son: 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 (2/2) 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 rompe se requiere energía. 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 como ‘Energía Química’.

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

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

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.

Energía química de combustión del metano CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O Rompimiento de los enlaces de los reactivos = 2640 kJ Formación de los enlaces de los productos = - 3530 kJ Energía neta = 2640 - 3530 = - 890 kJ/(mol metano) Energía liberada por cada 16 gramos de metano que se queman

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.

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

Usos energéticos de los productos del petróleo Gasolina Vehículos Turbosina Aviones Gas licuado Casas Calderas Gas Natural Electricidad Diesel Combustóleo Coque Queroseno

La liberación de gases invernadero 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 CO2, 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.

Liberación de CO2 per cápita, por países México: 5.7 toneladas per cápita en 1995, o sea unos 530 millones de toneladas por año

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.

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

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.

Planta nuclear de fusión de Culham, Inglaterra (1991)

Planta nuclear de fusión en construcción en Cadarache, Francia

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

Fotosíntesis (modelo simplificado) Reacción de la fotosíntesis (proceso global de producción de glucosa) 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 Energía de la reacción química (energía química) Rompimiento de los enlaces de los reactivos: 6  (2  801) + 6  (2  482) = 15,396 kJ Formación de los enlaces de los productos: (5  482 + 5  351 + 5  348 + 7  413 + 801) + (6  494) = - 12,561 kJ 3. Energía neta = 15,396 – 12,561 = + 2835 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.

Ejemplo 4: La energía eléctrica La energía eléctrica se produce: Por el sol fotovoltaica Por el viento eólica Presas (agua) hidroeléctrica Combustible termoeléctrica Acuíferos subterráneos geotérmica Combustible nuclear nucleoeléctrica La energía eléctrica: Se produce cuando se necesita Si hay mayor demanda, se ponen a funcionar más plantas eléctricas 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

Energía eólica (viento) Generador eléctrico Energía cinética del aire (viento) Energía eléctrica 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 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

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

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 (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 cinética Trabajo al de los gases de de las aspas de compresor de aire combustión la turbina de gas y generador eléctrico

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 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

Turbina de gas 89

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

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)

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)*60/1000 180.0 Televisión 220 4 (220*4)*60/1000 52.8 Refrigerador 400 6 (400*6)*60/1000 144.0 Plancha 1000 0.5 (1000*0.5)*60/1000 30.0 Cafetera 850 0.25 (850*0.25)*60/1000 12.8 TOTAL 419.6

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La cadena de la energía (1/3) La cadena de la energía está formada por los siguientes elementos: Fuentes primarias de energía Fuentes secundarias de 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. Fuentes renovables Fuentes no-renovables Radiación solar Biomasa Hidráulica Eólica (viento) Geotérmica  Petróleo y Gas Carbón Uranio (nuclear)

La cadena de la energía (2/3) La cadena de la energía está formada por los siguientes elementos: Fuentes primarias de energía Fuentes secundarias de 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 son: Biomasa Electricidad Productos petrolíferos

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) Electricidad Gasolina Diesel Turbosina Queroseno Combustóleo Gas natural Gas licuado Alimentos Aparatos eléctricos Automóviles Camiones Aviones Estufas Calentadores

Fuentes de energía primaria en México SENER: http://www.energia.gob.mx (2002)

Fuentes de energía primaria para generar energía eléctrica en México SENER: http://www.energia.gob.mx (2002)

Consumo final de energía en México por sectores SENER: http://www.energia.gob.mx (2002)

Consumo final de energía en México por tipo de combustible SENER: http://www.energia.gob.mx (2002)

Energía en la WEB http://www.energia.gob.mx/ http://www.conae.gob.mx/ http://www.energy.gov/ http://www.eia.doe.gov/ http://europa.eu.int/ http://www.ftexploring.com/ http://www.eia.doe.gov/kids/ http://www.howstuffworks.com/

¡ Gracias !