Energía¶
La energía es muy importante en nuestra sociedad porque nos permite satisfacer necesidades importantes de nuestra vida diaria, como disponer de luz, cocinar nuestros alimentos, calentar nuestras casas y transportarnos a diferentes lugares.
El excesivo uso de las energías fósiles (petróleo, gas natural y carbón) está generando una crisis climática que nos obliga a cambiar nuestras fuentes tradicionales de energía por otras menos contaminantes y más sostenibles, como pueden ser la energía solar o la eólica.
Comenzaremos estudiando las diferentes formas o manifestaciones de la energía y cuáles son las fuentes de energía primaria que utilizamos, para terminar estudiando en detalle la energía eléctrica.
Índice de contenidos:
Formas de energía¶
La energía es la capacidad de realizar trabajo o de producir cambios.
Existen muchas formas o manifestaciones de la energía. Cada una tiene características diferentes, pero todas ellas pueden convertirse en trabajo o movimiento, luz, calor, sonido u otros efectos útiles para nosotros.
Según el primer principio de la termodinámica, la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra.
A continuación veremos las formas más comunes de la energía y las que más se utilizan usualmente.
- Energía potencial
Es la energía que tiene un objeto debido a su posición en un campo gravitatorio [1].
Por ejemplo, un objeto que se encuentre en una posición elevada tiene energía potencial gracias a la gravedad de la Tierra. Si dejamos caer el objeto, esa energía potencial se transforma en energía cinética o podría arrastrar otro objeto realizando trabajo.
Las presas hidráulicas acumulan energía potencial en el agua cuando esta se almacena en una posición elevada. El agua al caer de la presa transforma su energía potencial en cinética, que mueve una turbina. Finalmente la turbina mueve un alternador que produce energía eléctrica.
Presa de arco de Aldeadávila desembalsando debido a una crecida del río.¶
Raiden32, CC BY-SA 4.0 International, via Wikimedia Commons.- Energía cinética
Es la energía que tiene un objeto debido a su movimiento.
Por ejemplo, una pelota lanzada a gran velocidad tendrá energía cinética y podrá desplazar otros objetos. La energía eólica es la energía cinética del aire en movimiento. Cuando un automóvil acelera, se está transformando la energía química de la gasolina en energía cinética. La Luna tiene energía cinética al moverse alrededor de la Tierra. En las mareas de los océanos podemos observar cómo se transfiere la energía cinética de la Luna a la Tierra.
Aerogeneradores en Thornton Bank a 28km de la costa (off shore), en la parte belga del mar del norte.¶
Hans Hillewaert, CC BY-SA 4.0 International, via Wikimedia Commons.- Energía mecánica
Es la energía que se transmite mediante el desplazamiento lineal o el giro de una pieza mecánica de una máquina.
Por ejemplo, el eje de un motor de batidora transmite la energía mecánica del motor a las cuchillas. La biela de un motor, que sube y baja, transmite energía mecánica desde el pistón hasta el cigüeñal, que girará para mover el automóvil.
Junta de cardan giratoria, utilizada para transmitir energía.¶
Silberwolf, CC BY-SA 2.5 Generic, via Wikimedia Commons.- Energía térmica
Es una forma de energía asociada a la temperatura de un objeto. Se basa en el movimiento interno de los átomos y moléculas del objeto. Cuanto mayor es la temperatura, más rápido se mueven sus partículas.
Esta es la forma más degradada de energía y es la más difícil de transformar, sobre todo si se encuentra a bajas temperaturas.
Todas las transformaciones de la energía provocan pérdidas y se van convirtiendo poco a poco en energía térmica debido a rozamientos.
Un ejemplo de energía térmica es la transformación que se produce en una caldera de calefacción. La energía química del gas natural se transforma a través de la combustión en calor a altas temperaturas que sirve para calentar los edificios.
- Energía química
Es la energía que se encuentra en los enlaces químicos de los combustibles, de los alimentos o de las baterías.
Para liberar esta energía es necesario provocar reacciones químicas, que en la mayoría de los casos consisten en combinar combustibles con oxígeno. Eso es lo que hacemos los animales cuando convertimos la grasa y los carbohidratos de los alimentos en movimiento y calor para seguir vivos. Los combustibles fósiles son sustancias que producen energía al combinarse con el oxígeno del aire. Por ejemplo, al quemar carbón o gasolina se produce energía térmica.
También encontramos este tipo de energía química en las baterías recargables o de un solo uso. En este caso, en las reacciones no interviene el oxígeno.
Surtidor de gasolina cargando el depósito de un automóvil.¶
Rama, CC BY-SA 2.0 France, via Wikimedia Commons.- Energía nuclear
Es la energía interna de los átomos que se desprende en las reacciones de fusión y de fisión nuclear.
Ejemplos de este tipo de energía son la energía del Sol que se produce por la fusión de sus átomos de hidrógeno o la energía de una central nuclear que fisiona los átomos de uranio. La energía geotérmica de la Tierra también proviene de la energía nuclear del uranio que se encuentra en su interior.
Central nuclear de José Cabrera en Guadalajara.¶
Mr. Tickle, CC BY-SA 3.0 Unported, via Wikimedia Commons.- Energía radiante
Es la energía que podemos encontrar en la luz o en las microondas de radio.
Tiene una importancia fundamental, porque es la mayor parte de la energía que llega a la Tierra gracias al Sol y que podemos aprovechar con paneles solares. Los microondas de las cocinas convierten la energía eléctrica en microondas de radio que calientan el agua de los alimentos.
Paneles solares en el tejado de una casa.¶
David Hawgood, CC BY-SA 2.0 Generic, via Wikimedia Commons.- Energía eléctrica
Es la energía asociada al movimiento de los electrones a través de los cables conductores. Es muy sencillo convertir otros tipos de energía en energía eléctrica y viceversa. Por esa razón la energía eléctrica se utiliza mucho para transportar otras formas de energía de un sitio a otro.
Por ejemplo, la energía mecánica de un aerogenerador moviéndose con el viento puede transportarse en forma de energía eléctrica, con facilidad y de forma casi instantánea a una casa que se encuentre a cientos de kilómetros. Esa energía eléctrica puede transformarse de nuevo en la energía mecánica de una batidora.
Los rayos de las tormentas y las descargas eléctricas que experimentamos al quitarnos un jersey son manifestaciones naturales de la energía eléctrica, pero no podemos aprovecharlas de forma útil.
Una desventaja que tiene la energía eléctrica consiste en que no se puede almacenar con facilidad, hay que consumirla en el momento en el que se genera. Para poder almacenar energía eléctrica es necesario convertirla en energía química en baterías o en energía potencial en centrales hidroeléctricas reversibles [2].
Transformación de la energía¶
En las conversiones de una forma a otra de energía frecuentemente se dan varios pasos intermedios para llegar a producir la forma de energía que deseamos.
Estos son algunos ejemplos de conversiones comunes entre formas de energía:
- Energía potencial del agua de una presa en energía eléctrica
- La energía potencial del agua de una presa -> se deja caer el agua para que tenga energía cinética -> una turbina convierte esta energía en giro de un eje -> el giro del eje mueve un alternador -> el alternador convierte la energía mecánica transmitida por el eje en energía eléctrica.
- Energía química del gas natural en energía eléctrica
- La energía química del gas natural -> se convierte en energía térmica dentro del quemador de una turbina -> la energía térmica se convierte en giro de la turbina -> un alternador convierte la energía mecánica del eje giratorio en energía eléctrica.
- Energía nuclear del uranio en energía eléctrica
- La energía nuclear del uranio -> se convierte en energía térmica dentro del reactor nuclear -> la energía térmica se convierte en vapor de agua sobrecalentado -> una turbina de vapor convierte la energía del vapor de agua en energía mecánica del giro de un eje -> un alternador convierte la energía mecánica del eje en energía eléctrica.
- Energía química de la gasolina en energía cinética de un automóvil
- La energía química de la gasolina -> se convierte en energía térmica dentro de la cámara de combustión -> esa energía térmica aumenta la presión del gas y mueve un pistón produciendo energía mecánica -> la energía mecánica se transmite a las ruedas que giran moviendo el automóvil aportando energía cinética.
- Energía eólica en calor para cocinar
- La energía cinética del viento -> mueve las palas de un aerogenerador produciendo energía mecánica -> la energía mecánica de giro se aplica a un alternador que la convierte en energía eléctrica -> la energía eléctrica llega a nuestra casa donde la resistencia de la vitrocerámica la convierte en energía térmica para cocinar.
Fuentes de energía¶
Una fuente de energía es un recurso natural del que se puede obtener energía. Dependiendo de su disponibilidad podemos distinguir entre fuentes de energía renovables y fuentes de energía no renovables.
- Fuentes de energía no renovables
Estas fuentes de energía se agotan a medida que las consumimos porque solo existen unas reservas limitadas.
La mayoría de estas fuentes de energía están basadas en la energía química que las plantas y animales captaron del Sol hace millones de años.
Un problema importante que genera este tipo de fuentes de energía es la contaminación, el calentamiento global y la crisis climática.
- Carbón. Es la fuente de energía que produce mayor contaminación medioambiental y gases de efecto invernadero.
- Petróleo. Es la más utilizada en la actualidad para todo tipo de usos, desde el transporte hasta el calentamiento de casas.
- Gas natural. Es el menos contaminante de los tres tipos de fuentes de energía fósiles.
- Nuclear. Esta energía produce pocos gases de efecto invernadero, pero sí genera importantes cantidades de residuos radioactivos contaminantes.
- Fuentes de energía renovables
Estas fuentes de energía se consideran inagotables y, con las técnicas adecuadas, se pueden aprovechar sin límite.
El problema que presenta la mayoría de las energías renovables es que son intermitentes, por lo que es necesario almacenar los excedentes de energía para poder utilizarlos más tarde.
- Solar. Es energía radiante que proviene de las reacciones nucleares de fusión que se producen dentro del Sol.
- Eólica. La energía del viento proviene del calentamiento por parte del Sol de las masas de aire en la atmósfera.
- Hidráulica. Proviene de la energía potencial del agua de los ríos acumulada en las presas. Tiene la ventaja de ser almacenable.
- Geotérmica. Proviene del calor de la Tierra producido por las reacciones nucleares de su interior. Tiene la ventaja de estar siempre disponible, aunque solo se puede aprovechar en algunas zonas volcánicas la Tierra.
- Biomasa. Es la energía química que podemos obtener de los árboles o de los residuos biológicos que se pueden convertir en biogás.
- Mareomotriz. Es la energía que se puede extraer del agua del mar gracias al movimiento producido por las mareas.
Energía eléctrica¶
La energía eléctrica no es una fuente de energía primaria, sino que se debe generar a partir de otras fuentes primarias de energía. Las razones por las que se genera energía eléctrica se basan en que se trata de una energía muy fácil de transportar, fácil de controlar y resulta sencillo convertirla en otras formas de energía de manera eficiente.
- Ventajas de la energía eléctrica
- Se puede obtener con facilidad a partir de otras formas de energía (mecánica, química, calorífica, radiante, etc.).
- Se puede transportar con facilidad a grandes distancias.
- El transporte es eficiente y consume poca energía.
- Es fácilmente convertible en otras formas de energía.
- Se puede controlar de forma muy sencilla.
- Es muy limpia y no produce contaminación en el lugar donde se usa, aunque sí puede producir contaminación el generarla.
- Es más segura que otras formas de energía.
- Desventajas de la energía eléctrica
- No existe una fuente primaria de energía eléctrica, hay que generarla a partir de otras fuentes primarias.
- La mayor parte de la electricidad que se genera en la actualidad procede de energías primarias no renovables y contaminantes (energías fósiles o nuclear).
- No se puede almacenar con facilidad. En la red eléctrica hay que generar en cada momento la misma cantidad de electricidad que la que se está consumiendo.
- Necesita cables para ser transportada, por lo que es difícil de utilizar en el transporte marítimo y aéreo.
- Puede ser peligrosa y producir incendios y descargas eléctricas si no se toman las medidas de precaución necesarias.
Cálculos con energía eléctrica¶
La fórmula de la energía eléctrica es la siguiente:
Siendo las magnitudes y unidades las siguientes:
E = Energía en kilovatios-hora [kWh]
P = Potencia en kilovatios [kW]
t = Tiempo en horas [h]
Despejando, tenemos las otras formas de la fórmula de la energía eléctrica:
Esta fórmula nos permite realizar cálculos relativos a la factura eléctrica, que es uno de los gastos importantes de los hogares.
Según la fórmula, la energía que consumimos depende de la potencia del aparato que conectemos y del tiempo que el aparato esté en funcionamiento.
Así, el frigorífico es uno de los aparatos con menor potencia de todos los electrodomésticos, consumiendo alrededor de 150 vatios. Por otro lado es el electrodoméstico que más energía suele consumir en el hogar, aproximadamente un tercio del total, ya que está en funcionamiento casi todo el día todos los días del año.
Los electrodomésticos de mayor potencia suelen ser los que generan grandes cantidades de calor. En este grupo está el horno eléctrico, la vitrocerámica, el secador de pelo, el calefactor de aire, etc. La potencia de estos electrodomésticos está en el rango de 1000 a 3000 vatios y esto hace que gasten mucha energía eléctrica aunque estén poco tiempo en funcionamiento.
Ejercicios¶
- Calefactor de aire
¿Qué energía consume al mes un calefactor de aire de 2000 vatios si funciona durante 5 horas al día?
Comenzamos por recoger los datos del problema:
P = 2000W = 2kW
t = 5h/día · 30días = 150h
Escribimos la fórmula de la energía y sustituimos los valores:
E = P · t
E = 2kW · 150h = 300kWh
- Linterna a pilas
¿Qué potencia tiene una linterna sabiendo que su pila almacena 4 vatios-hora de energía eléctrica y que dura 10 horas en funcionamiento?
Comenzamos por recoger los datos del problema:
E = 4Wh
t = 10h
Escribimos la fórmula de la energía y sustituimos los valores:
P = E / t
P = 4Wh / 10h = 0.4W
- Automóvil eléctrico
Un automóvil eléctrico tiene una batería de 100 kilovatios-hora de capacidad. ¿Cuántas horas necesita para cargar la batería completa en un punto de carga de 25 kilovatios de potencia?
Comenzamos por recoger los datos del problema:
E = 100kWh
P = 25kW
Escribimos la fórmula de la energía y sustituimos los valores:
T = E / P
T = 100kWh / 25kW = 4 horas
Cuestionarios¶
Cuestionarios sobre la energía eléctrica.
- Cuestionario. Energía eléctrica I.
- Cuestionario. Energía eléctrica II.
- Cuestionario. Cálculos con energía eléctrica.
Notas
| [1] | También existen otras formas de energía potencial, como la energía potencial eléctrica, que no se van a desarrollar en esta unidad. |
| [2] | Una central hidroeléctrica reversible funciona como una batería gigante. Absorbe energía eléctrica de la red para bombear agua desde un embalse inferior hasta un embalse a mayor altura. Esto permite acumular energía en forma de agua elevada que se podrá volver a convertir posteriormente en electricidad cuando sea necesario. |