La energía y su transformación Unidad 4 La energía y su transformación

4.1. Conceptos preliminares CIENCIA TECNOLOGÍA TÉCNICA Objetos Relación entre ciencia, tecnología y técnica.

A Relación entre ciencia, tecnología y técnica Concepto Características Ciencia Tecnología Técnica • Tiende a formular leyes generales y abstractas, empleando el método científico de investigación (véase pág. 26). Para ello, observa, experimenta, mide y describe. • Los productos obtenidos son: leyes, modelos, teorías, etcétera. • Incorpora, también, el método científico en su diseño y desarrollo. • Es un saber hacer (no un hacer). • Los productos son proyectos y construcciones de artefactos reales, empleando técnicas de fabricación concretas. Este es su objetivo principal. • Hace uso de los conocimientos científicos de la ciencia. • Es el «hacer». • Parte de la tecnología, pero no la contiene. • Se trata de una habilidad manual. Constituye la parte práctica de la tecnología. Características más relevantes de la ciencia, la tecnología y la técnica.

B Terminología de tipo científico y tecnológico Características de los nuevos términos Todos los términos tienen un cuerpo, es decir, un significado que no provoca error al interpretar ese vocablo. Además, puede tener un símbolo y una unidad. Ejemplos: leva (tiene cuerpo pero no unidad ni símbolo). Intensidad de corriente (tiene cuerpo unidad y símbolo). Normalización de términos Existen varias instituciones que han colaborado en la normalización de términos, por ejemplo, ISO a nivel internacional y AENOR a nivel nacional con sus normas UNE. Se denomina terminología al conjunto de vocablos o palabras propios de una determinada profesión, ciencia o materia.

De origen griego o latino Origen de los viejos y nuevos términos Por derivación Por composición De origen griego o latino De otros idiomas Acrónimos (siglas) Otras formas Prefijo (anteponiendo) Sufijos (añadiendo al final) Por ejemplo: interactiva, intercambiador, etcétera. Por ejemplo, de dígito: digital; de mecánica: mecanismo, mecanizado, mecánico; de programa: programable, programador, programación. Algunos ejemplos: videoconferencia, teletrabajo, electroimán, termoplástico, etcétera. Algunas de ellas: microscopio, microprocesador, micrómetro, holograma, fonógrafo, polímero, etcétera. Por ejemplo: email, backup, chip, plotter, megabyte, etcétera. Tales como DVD (digital versatile disk), Radar (radio detection and ranging), CD (compact disc), etcétera. En ocasiones se adoptan términos ya existentes en otros campos, tales como: menú, ratón, memoria, monitor, etcétera. Formación de palabras o términos técnicos.

C Sistema de unidades Sistemas de unidades y sus equivalencias.

Ejemplos y actividades: 1º. Demuestra que 1 kp (kilopondio) es igual a 9,8 newtons e igual a 9,8·105 dinas. 2º. Demuestra que un kilográmetro es igual a 9,8 julios e igual a 9,8·107 ergios. 3º. Demuestra que un kilográmetro/segundo es igual a 9,8 vatios e igual a 9,8·107 ergios/segundo. 4º. Demuestra cuántos vatios y kilográmetros/segundo (kgm/s o kp·m/s) tiene un caballo de vapor. 5º. Determina cuántos newtons hay en 4 kilopondios o kilogramos fuerza. 6º. Cuando vamos a una tienda y pedimos un kilo de azúcar, ¿qué sistema de unidades estamos usando? 7º. Calcula cuántos vatios segundo (W·s) hay en 6.000 julios (J). Y cuántos vatios hora (W·h) hay en 7.200 julios (J). 8º. ¿Qué le dirías tú a una persona que afirma rotundamente que un julio es mayor que un newton? ¿Cuáles son las unidades de fuerza, energía, trabajo y potencia en el S.I.? 9º. Explica qué es una unidad técnica de masa (Utm).

Ejemplos y actividades: 10º. ¿Qué relación existe entre las unidades fundamentales y las unidades derivadas? 11º. ¿Cuál de los tres sistemas tiene unidades de mayor peso? 12º. ¿Qué sistema de unidades se utiliza más? 13º. Escribe tres aplicaciones reales donde se utilice el término caballo de vapor (C.V.). ¿Dónde se utiliza el kilovatio? 14º. Si una bomba de agua es de 200 W, ¿cuántos caballos de vapor (CV) tiene? (Sol.: 0,27 CV). 15º. Calcula la energía, en kilovatios hora (kwh), que ha consumido una máquina que tiene 30 CV y ha estado funcionando durante 2 horas. (Sol.: 44,1 kwh).

4.2. Concepto de energía y sus unidades La energía se define como 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. Energía nuclear. Energía solar. Energía química. Energía eólica. Energía animal. Energía humana. Energía calorífica.

A Unidades de energía Caloría. Es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado de temperatura (para pasar de 14,5 °C a 15,5 °C) un gramo de agua, a presión atmosférica normal (nivel del mar). Se emplea mucho cuando se habla de energía térmica. La fórmula que relaciona la temperatura adquirida por una masa de agua y el calor absorbido es: Q = Ce · m (Tf – Ti), donde m está expresado en gramos, las temperaturas en °C y el calor Q en calorías. (Ce = calor específico en cal/g·ºC) La equivalencia entre calorías y julios es: 1 cal = 4,18 J. KWh. Se lee kilovatio hora e indica el trabajo o energía desarrollada (cedida) o consumida por un ser vivo o máquina, que tiene una potencia de 1 kW y está funcionando durante una hora. Un submúltiplo es el vatio hora (Wh) 1 kWh = 1 000 Wh. Esta unidad es masivamente empleada en máquinas eléctricas y para indicar consumos eléctricos (contadores). Otras unidades de energía Sistema Cegesimal (CGS) Internacional (SI) Técnico (ST) Ergio (dina cm) Kilográmetro (Kp m) (N m = W s) Julio

Ejemplos y actividades: 16º. Sabiendo que la energía necesaria para elevar un cuerpo ha sido de 1,3 kwh, calcula su energía en julios. 17º. Determina la temperatura a la que se elevarían 2,5 litros de agua si han absorbido una energía de 4,3 kcal e, inicialmente, se encontraban en una habitación con una temperatura de 20ºC 18º. Completa la tabla adjunta. (¿Se atreve alguien a hacerla en una hoja de cálculo?). Una unidad de aquí Equivale a: erg J KJ Kgm Wh Kwh cal Kcal Erg Cal

4.3. Formas de manifestación de la energía Tipos Explicación Fórmulas Cinética 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. Potencial 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. Ec = 1/2 · m · v2 m = masa del cuerpo que se mueve. v = velocidad lineal del objeto. Em = Ec + Ep Mecánica 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). Eléctrica Manifestaciones de la energía.

Formas Tipos Explicación Fórmulas Q = c·S·[(T2/100)4 – (T1/100)4]·t Térmica Conducción 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. Convección 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 (tabla en páginas siguientes) en kcal/m2 h °C. Radiación 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 (tabla en páginas siguientes). T2 = temperatura absoluta del objeto que irradia calor. T1 = temperatura absoluta del objeto irradiado. Manifestaciones de la energía.

Q = Pc · m (sólidos y líquidos) Formas Tipos Explicación Fórmulas Química Combustión química 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. Q = Pc · m (sólidos y líquidos) Q = Pc · V (gases) Pc = poder calorífico de un cuerpo al arder (tabla páginas siguientes) en kcal/kg o kcal/m3. m = masa del cuerpo que se quema (en kg). Radiante electromagnética Es propia de las ondas electromagnéticas, como ondas infrarrojas, luminosas, ultravioleta, microondas, etcétera. Nuclear Fisión Se obtiene al romper un núcleo de un material fisionable (uranio o plutonio). 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). Fusión Se obtiene al unir dos núcleos de dos átomos (litio y tritio) formando helio y desprendiendo gran cantidad de calor. Manifestaciones de la energía.

La unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio (J). A Energía mecánica Em = Ec + Ep La suma de las energías cinética y potencial es siempre igual a la energía mecánica. Debemos tener muy en cuenta el principio de conservación de la energía o primer principio de la Termodinámica que veremos al final del tema, que dice así, la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma. En este caso, de la energía mecánica es necesario saber que la energía cinética va relacionada con la velocidad del objeto de estudio y la energía potencial va relacionada con la posición respecto al suelo. Energía cinética: Ec = 1/2 · m · v2 Energía potencial: Ep = m · g · h La unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio (J).

Ejemplos y actividades: 19º. Desde un helicóptero, a una altura de 100m sobre la superficie terrestre, se suelta un objeto que pesa 2 kg. Calcula la energía mecánica, cinética y potencial en los siguientes puntos: a) antes de soltar el objeto; b) cuando está a 10 m del suelo. (Sol.: a) Ec = 0J, Ep = 1.960J; Em = 1.960J; b) Ec = 1.764J, Ep = 196J; Em = 1.960J) 20º. Un avión lanza una carga de 1.000 kg cuando se encuentra a una altura de 800 m. Calcula su energía cinética y mecánica en los siguientes casos: a) Cuando el objeto ha recorrido una distancia de 430 m; b) Cuando el objeto está a punto de impactar contra el suelo. (Sol.: a) Ec = 4,21·106 J, Em = 7,84·106 J; b) Ec = 7,84·106 J, Em = 7,84·106 J) 21º. Una placa vitrocerámica de 220 V por la que circula una intensidad de 5 A está conectada 2 horas. ¿Qué energía ha consumido en julios? (Sol.: Ee = 7,92·106 J)

B Energía calorífica o térmica Transmisión del calor por conducción Coeficiente de conductividad térmica (λ) de algunos materiales.

Transmisión del calor por convección Coeficientes de convección (α).

Transmisión del calor por radiación Cuando una superficie irradiada es de un material distinto del de la superficie que irradia, el valor de c es igual a: donde c1 y c2 son los coeficientes de radiación de ambos materiales. Coeficientes de radiación (c).

Ejemplos y actividades: 21º. Una caldera con unas paredes de 5mm de espesor y de superficie de 345 cm2 se quiere mantener a 125ºC. Sabiendo que está fabricada de acero, determina la cantidad de calor que es necesario aportar por hora (en kcal/h) para mantener dicha temperatura. Se supone que en el exterior la temperatura es de 22ºC. (Sol.: Q/t = 8.883,75 kcal/h). 22º. Un frigorífico que tiene las siguientes dimensiones: 55 cm (ancho) x 125 cm (alto) x 55 cm (fondo), lleva un recubrimiento, alrededor de cada una de las seis paredes, de fibra de vidrio de 3cm de espesor. Calcula la cantidad de calor por hora que se deberá extraer si se quiere mantener en el interior una temperatura de 5ºC si en el exterior hay 28ºC. (Sol.: 33,44 kcal/h). 23º. Calcula la cantidad de calor transmitido por convección al techo en una habitación durante 4 horas, si se dispone de un radiador eléctrico de superficie 1,5 m2, colocado en la parte inferior. La temperatura del radiador es de 120ºC y la de la habitación es de 35ºC (esta temperatura se mantiene constante). (Sol.: Q = 3.407 kcal). 24º. Un foco que se emplea para el secado de pinturas de automóviles tiene una temperatura de 600ºC. Sabiendo que la temperatura ambiente (y también la de la chapa del coche a pintar) es de 35ºC y que no aumenta a lo largo del tiempo, calcula el calor transmitido por hora si la superficie del foco es de 100 cm2 y el material con el que está fabricado dicho foco es de porcelana. (Sol.: Q/t = 79,36 kcal/h). 25º. Determina la cantidad de calor por hora (en kcal/h) que se transmitirá por convección a la parte alta de una cazuela llena de agua en el momento en que la temperatura interior es de 25ºC y después de empezar a hervir. La temperatura en la parte inferior es de 200ºC y el diámetro de la cazuela es de 25cm. (Sol.: Al inicio, 4.295,15kcal/h; cuando hierve, 49.087,39kcal/h). 26º. Se emplea un radiador de infrarrojos para calentar una bañera de porcelana. Sabiendo que el reflector del radiador (fabricado de acero niquelado) alcanza una temperatura de 120ºC y que la temperatura ambiente es de 22ºC (manteniéndose constante a lo largo del tiempo), calcula la cantidad de calor emitido por hora. La superficie del radiador es de 0,25 m2. (Sol.: 14,17 kcal/h).

Pc(real)(kcal/m3) = Pc · p [273/(273+T)] C Energía química El estudio de la energía química se va a centrar en la energía de combustión. A partir de cierta temperatura (llamada de ignición), la combinación química del carbono y del hidrógeno con el oxígeno se produce de manera viva y constante con desprendimiento de calor, dando lugar a una reacción llamada combustión. Poder calorífico (Pc) Materiales sólidos y líquidos: Q = Pc · m; donde m es la masa en kg. Combustibles gaseosos: Q = Pc · V; donde V es el volumen en m3. Los valores de Pc de la tabla para los gases corresponde a condiciones normales (1 atmósfera y 0ºC de temperatura). En otras condiciones de presión p y temperatura T, el valor de Pc será: Pc(real)(kcal/m3) = Pc · p [273/(273+T)] Poder calorífico (Pc) de algunos combustibles.

Ejemplos y actividades: 27º. Calcula la energía liberada al quemar 5kg de madera. (Sol.: 15.000 kcal). 28º. Calcula la energía total obtenida al quemar 2 m3 de gas natural suministrado a una presión de 1,5 atm y a una temperatura de 22ºC. (Sol.: 23.709,36 kcal). 29º. Una central térmica produce 5.500 kWh en una hora. Sabiendo que emplea antracita como combustible y que, aproximadamente, se aprovecha el 20% del combustible quemado para generar electricidad, calcula la cantidad de toneladas diarias que es necesario suministrar a la central. (Sol.: 71.052,63 kg). 30º. ¿Qué cantidad de butano será necesario quemar para obtener una energía calorífica de 10 kWh? La presión de consumo es de 2 atm y la temperatura, de 28ºC. (Sol.: 0,166 m3).

E = m · c2 D Energía nuclear E = energía calorífica obtenida en J. Es la energía propia de la materia contenida en el núcleo de los átomos. Al fisionar (romper) un átomo de uranio o plutonio, se obtiene gran energía en forma de calor. También se puede obtener energía térmica por fusión al unir un núcleo de deuterio y otro de tritio, formando helio. Einstein demostró que la materia era una forma de energía. Se sabe que en la fisión el peso resultante de la reacción nuclear es un poco menor que la suma de los pesos de sus componentes. Esa diferencia de peso se transforma en energía, según la fórmula: 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).

E Acumulación de energía térmica en los cuerpos Se denomina calor específico a la cantidad de calor que es necesario añadir a 1kg de ese cuerpo (sólido o líquido) para elevar 1ºC su temperatura. Su fórmula es: Q = Ce · m (Tf – Ti) Q = cantidad de calor en kcal. Tf = temperatura final en °C. Ce = calor específico en kcal/kg · °C. Ti = temperatura inicial en °C. m = masa en kg. De la fórmula se deduce que los cuerpos acumulan energía calorífica. La cantidad de calor acumulada dependerá del tipo de material, de su peso o masa, así como de la temperatura a la que se encuentren. De la tabla se observa que el agua es uno de los que mayor Ce tienen. Por eso, se utiliza como refrigerante por ejemplo, en radiadores de coches e intercambiadores de calor. Calor específico (Ce) de diversos materiales.

Ejemplos y actividades: 31º. Calcula la energía liberada (en kcal) en una reacción nuclear suponiendo que se han transformado 2 g de uranio en energía calorífica. (Sol.: 4,31·1010 kcal). 32º. Calcula la cantidad de calor acumulado en el agua del radiador de un coche, antes de que se ponga el ventilador en marcha, si su temperatura se ha elevado desde los 22ºC hasta los 97ºC. El volumen de agua es de 3,5 litros. (Sol.: 262,5 kcal). 33º. Una plancha tiene su base de aluminio, de superficie 50 cm2 y espesor 1 cm. Sabiendo que su temperatura ha pasado de 18ºC a 60ºC en 10 segundos y que se desprecian las pérdidas de calor por radiación y conducción, calcula la energía térmica acumulada (en kcal), así como la potencia de la plancha. Densidad del aluminio = 2,75 kg/dm3. (Sol.: Q = 1,22 kcal; P = 511,76 W).

4.4. Transformaciones de la energía 6. Energía nuclear Reactor 5. Energía radiante Cuerpo incandescente 3. Energía térmica Colectores solares Combustión Termólisis 4. Energía química Bombilla Pares termoeléctricos Turbinas Rozamiento Personas 1. Energía mecánica Motor Dinamo Baterías Campana Placas solares Radiador 2. Energía eléctrica Fotosíntesis Gas del alumbrado Transformación de la energía y máquinas utilizadas.

W Q A Consumo energético “Primer principio de la Termodinámica” Q es la energía que recibe la locomotora (carbón) y W es el trabajo que realiza al arrastrar los vagones.

B Rendimiento 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). No hay ninguna máquina capaz de transformar íntegramente una energía en otra sin desperdiciar una cantidad. Por ejemplo, cuando un motor transforma 1 cal energía térmica en energía mecánica, no la convierte en 4,18 J, sino mucho menos. En este proceso, se pierde aproximadamente el 75% de la energía térmica que se suministra. ¿Cuál piensas que es la finalidad de un Ingeniero al diseñar una máquina conversora de energía? Como es lógico, aprovechar al máximo la energía suministrada. Es decir, obtener el máximo rendimiento posible, lo más próximo a 1 que se pueda.

Ejemplos y actividades: 34º. Se dispone de un motor para bombear agua a un depósito que se encuentra a 40m de altura. Calcula su rendimiento si con 3 kg de combustible (gasóleo) suministramos al depósito 100.000 litros. Se supone que 1 l de agua = 1 kg de agua. (Poder calorífico del gasóleo (Pc) = 10.300 kcal/kg). (Sol.: 30,3%). 35º. Una máquina de aire acondicionado ha extraído de una habitación 5.000kcal. Sabiendo que durante este tiempo ha consumido 6kwh, determina el rendimiento de la máquina. (Sol.: 97%). 36º. Calcula la variación de energía de un sistema en los siguientes casos: a) El sistema absorbe 1.000cal y realiza un trabajo de 1.500J. b) El sistema absorbe 700cal y recibe un trabajo de 40kpm. c) Del sistema se extraen 1.200cal. (Sol.: a) 2.680J; b) 3.318J y c) -5.016J). 37º. Un motor de gas hace funcionar una grúa que eleva un peso de 1.000kg a una altura de 27m. Calcula el volumen de gas que debe quemar el motor suponiendo que el combustible es gas natural, la presión de suministro 3 atm, la temperatura del combustible 22ºC y el rendimiento del motor de un 24%. (Sol.: V = 11,12 litros). 38º. A una central térmica de carbón, que tiene un rendimiento del 16%, se le han suministrado 20.000kg de antracita. Calcula la energía producida en kwh. (Sol.: 29.724,44kwh).

4.5. Ahorro energético A Consumo energético Desgraciadamente, el avance tecnológico lleva asociado un aumento y dependencia del consumo energético. Pero, por fortuna, hay algunas formas de reducir este exceso de consumo. El bienestar social y personal no tiene por qué estar asociado al derroche de energía. Se debe gastar la energía que se necesita. Ni más ni menos. El exceso de consumo puede acarrear dos problemas: agotamiento prematuro de recursos como el carbón, petróleo, gas natural, etc. Y el excesivo deterioro del medio ambiente. Ahorro de energía en la vivienda Ahorro de energía en el transporte - Un piso o una casa bien aislada ahorra entre un 20 y hasta un 50% en calefacción. - Usar burletes en ventanas y puertas para evitar filtraciones de aire. - No dejar luces encendidas, ni la TV o PC si no se están utilizando. Utilizar electrodomésticos de elevada eficiencia energética. Usar doble acristalamiento o doble ventana. Los burletes en puertas y ventanas evitan pérdidas de energía. Usar transporte colectivo (autobús, tren, metro, etc), ya que se consume mucha menos energía que yendo una o dos personas en un coche. Si se va en coche no pasar de 90 a 120 km/h se consume hasta un 30% más de combustible. A ser posible, no usar baca portaequipajes, se consume hasta un 20% más. Llevar el motor a punto, así como los neumáticos bien inflados. Además de inestabilidad, la baca origina un gran consumo de combustible.

B Eficiencia energética Una forma eficaz de ahorrar energía es utilizar máquinas y aparatos que, realizan el mismo trabajo que otros, pero consumen menos energía. Cuando menos energía consumen, más eficientes son. Existe una normativa al respecto, y es que en España es obligatorio poner en electrodomésticos, la pegatina de la izquierda, sobretodo en: Electrodomésticos (congeladores, frigoríficos, lavadoras, lavavajillas, secadoras, lámparas, etc.). Bombas de calor de máquinas de aire acondicionado. Que consumirían hasta tres veces menos que un radiador eléctrico. Pegatina que señala la eficiencia energética de lámparas y electrodomésticos. Características energéticas aplicables a electrodomésticos.