Se define la energía, como la capacidad para realizar un cambio en forma de
trabajo. Se mide en el sistema internacional en Julios (J), que se define como el trabajo
que realiza una fuerza de 1N cuando se desplaza su punto de aplicación 1m.
Formas de Energía
La energía se manifiesta de múltiples formas en la naturaleza, pudiendo
convertirse unas en otras con mayor o menor dificultad. Entre las distintas formas de
energía están:
1. Energía mecánica, la cual se puede manifestar de dos formas diferentes
a) Energía mecánica cinética: Es la energía que posee un cuerpo en movimiento.
Ec = ½ m·v dónde m es la masa del cuerpo que se mueve a velocidad v.
Ejemplo: Un cuerpo de 10 kg que se mueve a una velocidad de 5 m/s, posee una
energía cinética
Ec = ½ 10 kg · (5 m/s) = 125 J
b) Energía mecánica potencial: Es la energía que posee un cuerpo en virtud de la
posición que ocupa en un campo gravitatorio (potencial gravitatoria) o de su estado
de tensión, como puede ser el caso de un muelle (potencial elástico).
Si un cuerpo de masa m está situado a una altura h, tendrá una energía potencial
gravitatoria equivalente a
Ep = m·g·h
Donde g es la aceleración de la gravedad g = 9’8 m/s (en la Tierra)
Ejemplo: Un cuerpo de 10 kg de masa situado a 5 m
de altura posee una energía potencial que vale
Ep = 20 kg · 9’8 m/s2 · 5 m = 980 J
2. Energía térmica o calorífica: Es la energía asociada a la transferencia de calor
de un cuerpo a otro. Para que se transfiera calor es necesario que exista una
diferencia de temperatura entre los dos cuerpos. El calor es energía en tránsito.
Todos los materiales no absorben o ceden calor del mismo modo, pues unos
materiales absorben el calor con mayor facilidad que otros. Ese factor depende del
llamado calor específico del material Ce. Cada material tiene su propio calor
específico.
Ejemplo: Madera Ce = 0’6 y Cobre Ce = 0’094
Esto significa que para que un gramo de madera suba su temperatura un grado debe
absorber 0’6 cal y para que ocurra lo mismo para un gramo de cobre debe absorber
0’094 cal.
3. Energía química: Es la energía que almacenan las
sustancias químicas, la cual se suele manifestar en otras
formas (normalmente calor) cuando ocurre una reacción
química. Esta energía está almacenada, en realidad, en los
enlaces químicos que existen entre los átomos de las
moléculas de la sustancia.
Los casos más conocidos son los de los combustibles (carbón,
petróleo, gas, ...).
Se define el poder calorífico de un combustible como la
cantidad de calor liberado en la combustión de una cierta cantidad del mismo. Se mide
en kcal/kg. P. Ej: el poder calorífico del carbón anda por los 9000 kcal/kg.
4. Energía radiante: Es la energía que se propaga en forma de ondas
electromagnéticas (luz visible, infrarrojos, ondas de radio, ultravioleta, rayos X,...),
a la velocidad de la luz. Parte de ella es calorífica. Un caso particular conocido es la
energía solar.
5. Energía nuclear: Es la energía almacenada en los
núcleos de los átomos. Esta energía mantiene unidos
los protones y neutrones en el núcleo. Cuando estos
elementos se unen o dividen se libera. Se conocen dos
tipos de reacción nuclear:
- Fisión nuclear: los núcleos de átomos pesados
(como Uranio o Plutonio) se dividen para
formar otros más ligeros. Este se emplea
comercialmente.
- Fusión nuclear: Se unen núcleos ligeros para
formar otros más pesados. Está en fase experimental.
6. Energía eléctrica: Es la energía asociada a la corriente eléctrica, es decir, a las
cargas eléctricas en movimiento. Es la de mayor utilidad por las siguientes razones:
4Tecnología Industrial 1º Bachillerato
- Es fácil de transformar y transportar
- No contamina allá donde se consuma
- Es muy cómoda de utilizar
Expresiones para la energía eléctrica
E = P· t donde P es la potencia (vatios) de la máquina que genera o consume la
energía durante un tiempo (segundos) t
E = V·I·t donde V es el voltaje (voltios), I es la intensidad de corriente eléctrica
(Amperios).
Combustibles Fósiles
Proceden de restos vegetales y otros organismos vivos (como plancton) que hace millones
de años fueron sepultados por efecto de grandes cataclismos o fenómenos naturales y por la
acción de microorganismos, bajo ciertas condiciones de presión y temperatura.
El carbón
El primer combustible fósil que ha utilizado el hombre es el carbón, y cuenta con
abundantes reservas. Representa cerca del 70% de las reservas energéticas mundiales de
combustibles fósiles conocidas actualmente, y es la más utilizada en la producción de electricidad
a nivel mundial. En España, sin embargo, la disponibilidad del carbón es limitada y su calidad es
baja. En Canarias no se utiliza como combustible.
Carbón mineral: Sustancia fósil, que se encuentra bajo la superficie terrestre, de origen
vegetal, generada como resultado de la descomposición lenta de la materia orgánica de los
bosques, acumulada en lugares pantanosos, lagunas y deltas fluviales, principalmente durante el
período Carbonífero. Estos vegetales enterrados sufrieron un proceso de fermentación en
ausencia de oxígeno, debido a la acción conjunta de microorganismos, en condiciones de presión y
temperatura adecuados. A medida que pasaba el tiempo, el carbón aumentaba su contenido en
carbono, lo cual incrementa la calidad y poder calorífico del mismo. Según este criterio, el carbón
se puede clasificar en:
- Turba: es el carbón más reciente. Tiene un porcentaje alto de humedad (hasta 90%),
bajo poder calorífico (menos de 4000 kcal/kg) y poco carbono (menos de un 50%). Se
1Tecnología Industrial 1º Bachillerato
debe secar antes de su uso. Se encuentra en zonas pantanosas. Se emplea en
calefacción y como producción de abonos. Tiene muy poco interés industrial debido a
su bajo poder calorífico.
- Lignito: poder calorífico en torno a las 5000 kcal/kg, con más de un 50 % de carbono
(casi un 70%) y mucha humedad (30%). Se encuentra en minas a cielo abierto y por eso,
su uso suele ser rentable. Se emplea en centrales térmicas para la obtención de energía
eléctrica y para la obtención de subproductos mediante destilación seca.
- Hulla: tiene alto poder calorífico, más de 7000 kcal/kg y elevado porcentaje de carbono
(85%). Se emplea en centrales eléctricas y fundiciones de metales. Por destilación seca
se obtiene amoniaco, alquitrán y carbón de coque (muy utilizado en industria: altos
hornos).
- Antracita: es el carbón más antiguo, pues tiene más de un 90% de carbono. Arde con
facilidad y tiene un alto poder calorífico (más de 8000 kcal/kg).
La presión y el calor adicional pueden transformar el carbón en grafito.
A través de una serie de procesos, se obtienen los carbones artificiales; los más
importantes son el coque y el carbón vegetal.
- Coque: se obtiene a partir del carbón natural. Se obtiene calentando la hulla en
ausencia de aire en unos hornos especiales. El resultado es un carbón con un mayor
poder calorífico.
- Carbón vegetal: se obtiene a partir de la madera. Puede usarse como combustible,
pero su principal aplicación es como absorbente de gases, por lo que se usa en
mascarillas antigás. Actualmente su uso ha descendido.
Yacimientos de carbón:
- A cielo abierto o en superficie
- En ladera o poco profundo
- En profundidad, con galerías horizontales
- En profundidad, con galerías en ángulo
Producción mundial de carbón
Su uso comenzó a adquirir importancia hacia la segunda mitad del siglo XVIII, siendo una de
las bases de la Revolución Industrial.
Los principales productores son: EEUU, Polonia, Austria y Rusia. En España en las provincias
de León, Asturias y Teruel.
Combustión del carbón:
Cuando se produce la combustión del carbón, se liberan a la atmósfera varios elementos
contaminantes, como son el dióxido de azufre, SO2, óxidos de nitrógeno, NO y NO2, y óxidos de
carbono, CO y CO2. Estos agentes contribuyen a la lluvia ácida y al efecto invernadero.
2Tecnología Industrial 1º Bachillerato
Actualmente, la tecnología ha avanzado lo suficiente como para eliminar estas emisiones
casi en su totalidad, pero ello provoca un gran aumento en los costes de producción.
Ventajas y desventajas del uso del carbón:
Ventajas Desventajas
Se obtiene una gran cantidad de energía de
forma sencilla, cómoda y regular.
Su extracción es peligrosa en cierto tipo de
yacimientos
El carbón se suele consumir cerca de dónde se
explota. Se ahorran costes de transporte
Al ser no renovable se agotará en el futuro
Seguro en su transporte, almacenamiento y
utilización
Su combustión y extracción genera problemas
ambientales. Contribuye al efecto invernadero,
la lluvia ácida y alteración de ecosistemas.
Aplicaciones
Es la mayor fuente de combustible usada para la generación de energía eléctrica.
Es también indispensable para la producción de hierro y acero; casi el 70 % de la
producción de acero proviene de hierro hecho en altos hornos con ayuda del carbón de
coque.
El petróleo
Es un combustible natural líquido constituido por una mezcla de hidrocarburos (mezcla de
carbono e hidrógeno). La mayor parte del petróleo que existe se formó hace unos 85 – 90 millones
de años.
Su composición es muy variable de unos yacimientos a otros.
Su poder calorífico oscila entre las 9000 y 11000 kcal/kg.
Su proceso de transformación es similar al del carbón (descomposición de masas vegetales
y animales en contacto con el aire, y posterior descomposición anaerobia). Procede de la
transformación, por acción de determinadas bacterias, de enormes masas de plancton sepultadas
por sedimentos en áreas oceánicas en determinadas condiciones de presión y temperatura. Es,
por lo tanto, un combustible fósil, más ligero que el agua.
Estos depósitos se almacenan en lugares con roca porosa y hay rocas impermeables
(arcilla) a su alrededor que evita que se salga.
3Tecnología Industrial 1º Bachillerato
Yacimientos
Para detectarlos es necesario realizar un estudio geológico de la zona (por medio de ondas que
sufren modificaciones en su trayectoria)
Normalmente se encuentran bajo una capa de hidrocarburos gaseosos. Cuando se perfora
y se llega a la capa de petróleo, la presión de los gases obligan al petróleo a salir a la superficie,
por lo que suele inyectarse agua o gas para incrementar esta presión.
Algunos se encuentran a una profundidad que puede alcanzar los 15000 m.
Transporte
- Oleoductos: tubos de acero protegidos de 80 cm de diámetro que enlazan yacimientos
con refinerías y puertos de embarque.
- Petroleros: buques cuyo espacio de carga está dividido por tabiques formando tanques.
- Transporte por ferrocarril y carretera: se emplea cuando ninguno de los métodos
anteriores es rentable. Emplea vagones o camiones cisterna.
Refino del petróleo
El petróleo crudo carece de utilidad. Sus componentes deben separarse en un proceso
denominado refino. Esta técnica se hace en unas instalaciones denominadas refinerías. Los
componentes se separan en la torre de fraccionamiento calentando el petróleo. En la zona más
alta de la torre se recogen los hidrocarburos más volátiles y ligeros (menor temperatura) y en la
más baja los más pesados (mayor temperatura).
Del refino del petróleo se extraen los siguientes productos, comenzando por aquellos más
pesados, obtenidos a altas temperaturas en la parte más baja de la torre de fraccionamiento :
- Residuos sólidos como el asfalto: para recubrir carreteras.
- Aceites pesados: Para lubricar máquinas. (~ 360ºC)
- Gasóleos: Para calefacción y motores Diesel.
- Queroseno: Para motores de aviación.
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- Gasolinas: Para el transporte de vehículos. (20ºC – 160ºC)
- Gases: Butano, propano,… como combustibles domésticos.
Ventajas y desventajas del uso del petróleo:
Ventajas Desventajas
Produce energía de forma regular con buen
rendimiento
Al ser no renovable, sus reservas disminuirán y
su precio se encarecerá.
De él se obtienen diferentes productos Su manipulación es peligrosa.
Su combustión y extracción genera problemas
ambiéntales. Contribuye al efecto invernadero,
la lluvia ácida y alteración de ecosistemas.
Combustibles gaseosos
Gas natural
Se obtiene de yacimientos. Consiste en una mezcla de gases que se encuentra almacenada
en el interior de la tierra, unas veces aisladamente (gas seco) y en otras ocasiones acompañando al
petróleo (gas húmedo). Su origen es semejante al del petróleo, aunque su extracción es más
sencilla. Consiste en más de un 70% en metano, y el resto es mayoritariamente, etano, propano y
butano. Es un producto incoloro en inodoro, no tóxico y más ligero que el aire. Su poder calorífico
ronda las 11000 kcal/ m3
Una vez extraído, se elimina el agua y se transporta empleando diversos métodos.
Para su transporte se emplea:
- Gasoductos: Tuberías por las que circula el gas a alta presión, hasta el lugar de
consumo.
- Buques cisterna: En este caso, es necesario licuar primero el gas. De este modo, el gas
se transforma de forma líquida. Al llegar al destino se regasifica.
Se emplea como combustible en centrales térmicas, directamente como combustible
(vehículos) y como combustible doméstico e industrial.
5
-
Tem
pera
tura
+Tecnología Industrial 1º Bachillerato
El gas natural es la segunda fuente de energía primaria empleada en Europa (representa un
20% del consumo) y está en alza.
Su nivel de contaminación es bajo, comparado con otros combustibles, pues casi no
presenta impurezas (algo de sulfuro de hidrógeno, H2S, que se puede eliminar antes de llegar al
consumidor) y produce energía eléctrica con alto rendimiento. Es limpio y fácil de transportar. El
inconveniente está que lugares de producción están lejos de Europa, por lo que se necesitan los
sistemas ya citados.
Gas ciudad o gas de hulla
Se obtiene principalmente a partir de la destilación de la hulla. Se distribuye
mediante tuberías hasta los hogares.
Poder calorífico sobre 4000 kcal/m3
.
Es muy tóxico e inflamable, por lo que ha sido sustituido como combustible
doméstico por el gas natural
Gases licuados del petróleo o gases GLP
Son el butano y el propano. Se obtienen en las refinerías y poseen un poder
calorífico que ronda las 25000 kcal/m3
. Se almacenan en bombonas a grandes
presiones en estado líquido.
Gas de carbón
Se obtiene por la combustión incompleta del carbón de coque. Tiene un poder calorífico muy bajo,
aproximadamente 1500kcal/m3 (gas pobre)
Acetileno
Se usa básicamente en la soldadura oxiacetilénica.
6Tecnología Industrial 1º Bachillerato
Impacto ambiental del uso de los combustibles fósiles
Carbón
Tanto la extracción como la combustión del carbón origina una serie de deterioros
medioambientales importantes. El más importante es la emisión a la atmósfera de residuos como
el óxido de azufre, óxido de nitrógeno y dióxido de carbono. Estos gases se acumulan en la
atmósfera provocando los siguientes efectos:
- efecto invernadero: La capa gaseosa que rodea a la Tierra tiene, entre otros, dióxido de
carbono, metano y dióxido de azufre. Estos gases se conocen como gases invernadero y
son necesarios para la existencia de la vida en el planeta. La radiación solar atraviesa la
atmósfera, parte de ella se refleja en forma de radiación infrarroja y escapa
nuevamente al espacio, permitiendo regular la temperatura en la superficie terrestre.
Actualmente, y debido a la acción del ser humano, la presencia de estos gases se ha
incrementado, lo que impide que salga una buena parte de la radiación infrarroja que
reemite la Tierra, lo que provoca el calentamiento de la misma.
- Lluvia ácida: provocado por los óxidos de azufre y nitrógeno. Estos gases reaccionan
con el vapor de agua y, en combinación con los rayos solares, se transforman en ácidos
sulfúrico y nítrico, que se precipitan a la tierra en forma de lluvia. Deteriorando...
• Bosques: y la consiguiente pérdida de fertilidad de la tierra.
• Ríos: dañando la vida acuática y deteriorando el agua.
• Patrimonio arquitectónico: pues ataca la piedra.
Petróleo
La extracción de pozos petrolíferos y la existencias de refinerías, oleoductos y buques petroleros,
ocasiona...
- Derrames: que afectan al suelo (pérdida de fertilidad) y al agua (que afecta a la vida
marina, ecosistemas costeros, ...)
- Influencia sobre la atmósfera: causando el efecto invernadero y la lluvia por las mismas
razones antes expuestas. Además, el monóxido de carbono es sumamente tóxico.
Gas
Influencia sobre la atmósfera con efectos similares a los casos anteriores, aunque en menor
medida.
Las autoridades sanitarias advierten:
Contaminar puede ser una muerte lenta y dolorosa.
Contaminar puede matar consulte con su farmaceutico.
Contaminar durante el embarazo perjudica la salud se su hijo.
Contaminar acorta la vida.
Contaminar puede matar consulte con su farmaceutico.
Contaminar perjudica gravemente su salud y la de los que están a su alrededor
Contra la contaminación tolerancia cero.
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