Energía¶
La energía es muy importante en nuestra sociedad porque nos permite satisfacer necesidades básicas diarias, como disponer de luz, cocinar nuestros alimentos, calentar nuestras casas y transportarnos a diferentes lugares.
El uso excesivo 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.
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, con la que podría arrastrar otro objeto y realizar trabajo.
Las presas hidráulicas acumulan energía potencial en el agua cuando esta se almacena en una posición elevada. Al caer desde la presa, el agua 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 transforma 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 la energía cinética de la Luna se transfiere 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 una 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 para que este gire y mueva 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 de un objeto, más rápido se mueven sus partículas.
Es la forma de energía más degradada y más difícil de transformar, sobre todo si se encuentra a bajas temperaturas.
En todas las transformaciones de energía se producen pérdidas que se terminan convirtiendo en energía térmica.
Un ejemplo de energía térmica es la transformación que se produce en una caldera de calefacción. La energía química del gas natural se transforma en calor a alta temperatura durante la combustión, lo 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 con vida. 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 y en las 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 libera en las reacciones de fusión y de fisión nuclear.
Ejemplos de esta energía son la energía del Sol, que se produce por la fusión de sus átomos de hidrógeno, y 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 está presente en la luz o en las microondas de radio.
Es 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 lugar a otro.
Por ejemplo, la energía mecánica de un aerogenerador moviéndose con el viento puede transportarse fácilmente y de forma casi instantánea en forma de energía eléctrica a una casa que se encuentre a cientos de kilómetros. Esa energía eléctrica puede transformarse de nuevo en la energía mecánica, por ejemplo, en la de batidora o en cualquier otra forma aprovechable.
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 de la energía eléctrica consiste en que no se puede almacenar con facilidad, por lo que hay que consumirla en el momento en el que se genera. Para poder almacenar energía eléctrica, esta debe transformarse en energía química mediante baterías o en energía potencial mediante centrales hidroeléctricas reversibles [2].
Transformación de la energía¶
Según el primer principio de la termodinámica, la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra.
En estos procesos, a menudo se necesitan varios pasos intermedios para llegar a producir la forma de energía deseada.
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 transforma en energía cinética cuando se deja caer el agua. A continuación, una turbina convierte esta energía cinética en giro de un eje. El giro del eje mueve un alternador, que 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, que a su vez la 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, que a su vez se convierte en vapor de agua sobrecalentado. Una turbina de vapor convierte la energía térmica del vapor de agua en energía mecánica de giro de un eje, que un alternador convierte 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, lo que aumenta la presión del gas y mueve un pistón, produciendo energía mecánica. Esta energía mecánica se transmite a las ruedas, que giran y mueven el automóvil, aportando energía cinética.
- Energía eólica en calor para cocinar.
- La energía cinética del viento mueve las palas de un aerogenerador y produce energía mecánica de giro que se aplica a un alternador para convertirla en energía eléctrica. La energía eléctrica se transporta hasta nuestras casas donde, al pasar por la resistencia de la vitrocerámica, se convierte en energía térmica para cocinar.
Fuentes de energía¶
Una fuente de energía es un recurso natural del que se puede obtener energía. Según 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 se basan en la energía química que las plantas y los 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 emisiones de gases de efecto invernadero.
- Petróleo. Es la más utilizada en la actualidad para todo tipo de usos, desde el transporte hasta la calefacción de viviendas. También es muy contaminante.
- Gas natural. Es el menos contaminante de los tres tipos de fuentes de energía fósiles cuando se quema, pero también emite CO2 de efecto invernadero. Está compuesto de metano y, cuando se pierde en la atmósfera, produce un efecto invernadero mucho mayor que el del CO2.
- 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 las considera inagotables y, con las técnicas adecuadas, se pueden aprovechar sin límite.
El problema de la mayoría de las energías renovables consiste en que son intermitentes, por lo que es necesario almacenar los excedentes de energía para poder utilizarlos más adelante.
- Solar. Es energía radiante que proviene de las reacciones nucleares de fusión que tienen lugar en el interior 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 que se puede almacenar con facilidad.
- Geotérmica. Proviene del calor interno 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 que producen las mareas.
Energía eléctrica¶
La energía eléctrica no es una fuente de energía primaria, sino que se debe generar a partir de fuentes de energía primarias. La razón por la que se genera energía eléctrica es que se trata de una energía muy fácil de transportar, fácil de controlar y de convertir en otras formas de energía de manera eficiente.
- Ventajas de la energía eléctrica
- Puede obtenerse 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.
- Se puede convertir fácilmente en otras formas de energía.
- Se puede controlar de forma muy sencilla.
- Es muy limpia y no contamina en el lugar donde se usa. Aunque sí puede producir contaminación en el lugar de generación.
- 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.
- Un porcentaje alto de la electricidad que se genera en la actualidad procede de energías primarias no renovables y contaminantes, como las energías fósiles o la 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.
- Para su transporte se necesitan cables, por lo que es difícil de utilizar en el transporte marítimo y aéreo.
- Puede ser peligrosa y provocar 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 más importantes de los hogares.
Según esta 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 electrodomésticos con menor potencia, ya que consume alrededor de 150 vatios. Sin embargo, es el electrodoméstico que más energía consume 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 se encuentran el horno eléctrico, la vitrocerámica, el secador de pelo, el calefactor de aire, etc. La potencia de estos electrodomésticos oscila entre 1000 y 3000 vatios, por lo que gastan mucha energía eléctrica aunque estén poco tiempo encendidos.
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
Unidad con preguntas¶
Unidad didáctica en formato imprimible, con preguntas simples de comprensión lectora.
Cuestionarios¶
Cuestionarios sobre energía.
- Cuestionario. Energía I.
- Cuestionario. Energía II.
- Cuestionario. Energía III.
- Cuestionario. Energía IV.
- Cuestionario. Energía V.
- Cuestionario. Energía VI.
- 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 otro situado a mayor altura. Así se acumula energía en forma de agua elevada que se puede volver a convertir en electricidad cuando sea necesario. |