ASIGNATURA: Física
ALUMNO: Facu Boarini
Historia del concepto de Energía
La palabra “Energía” proviene del griego er-gon, que significa “en actividad” el valor de la vis-viva de un cuerpo en movimiento es igual al producto de su masa por el cuadrado de su velocidad (m.v). Lo que llamamos en la actualidad energía cinética, el término vis-viva fue remplazado por el de energía, los investigadores reconocieron que todos los procesos de cambio, cualquiera sea su naturaleza, pueden compararse mediante una propiedad: la energía.
La energía en una característica de los cambios o las transformaciones que se producen en los sistemas físicos.
Descartes dijo que los cambios en los movimientos, los fenómenos físicos y las propiedades se pueden explicar mediante choques entre cuerpos.
La energía de un sistema
La energía es una propiedad de los cambios o las transformaciones de los sistemas físicos. En cada proceso de cambio, un sistema pasa de un estado inicial a otro final.
Nunca se pierde ni se destruye. Cuando se habla de la energía de un sistema se habla del proceso de cambio (de un estado inicial al estado final)
Cuando se estudia un sistema, se elige un estado determinado como referencia al que se le asigna el valor cero de energía. Por ejemplo, en el caso de la energía de un combustible, se esta hablando de la energía del cambio desde el estado inicial (la masa de combustible sin incendiar, con un valor cero de energía) hasta el estado final (el combustible completamente incendiado).
Transferencia de energía
Cuando la energía aumenta en un sistema, disminuye en otro. Por ejemplo, cuando un resorte comprimido se libera y empuja una bolita, pierde la energía que tenía cuando estaba comprimido y ya no puede acelerar otra bolita. En cambio, la bolita que estaba quieta termino moviéndose, con energía cinética. Cuando la energía de un sistema A aumenta y la del otro sistema B disminuye, se dice que hay una transferencia de energía del sistema B al A.
Formas y transformaciones de energía
Los estados de diferente energía de un sistema pueden distinguirse mediante los valores de magnitudes como la masa, la posición en el espacio, la temperatura o la rapidez del sistema.
La energía se puede clasificar de diferentes formas de acuerdo con la magnitud a la que está asociada en cada caso.
Si en un proceso de cambio la cantidad de una forma de energía disminuye y la de la otra forma aumenta, hubo una transformación de energía de la primera forma en la segunda.
Por ejemplo En el caso del motor de un auto, se produce un cambio de energía química (contenida en la gasolina y liberada en su combustión) en energía cinética. al prender una lámpara, la energía eléctrica se transforma en energía luminosa; al enchufar una plancha, la energía eléctrica se transforma en energía calórica. en los paneles solares la energía radiante se transforma en energía eléctrica
Todas las formas de la energía pueden clasificarse en cuatro grandes grupos: energía de movimiento o energía cinética, energías de integración o energías potenciales, energía radiante y energía de masa en reposo.
Energía cinética
Todo cuerpo que se mueve (respecto de un sistema de referencia) tiene energía cinética. La palabra proviene del griego kinesis, que significa “movimiento”. Si se encuentra quieto posee energía cinética cero, esta depende de la Rapidez y la masa. Cuando más rápido se mueve un cuerpo, mayor es su energía cinética. Por otro lado, para dos cuerpos con la misma rapidez, tiene mayor energía cinética el que tiene más masa. Ec=½m.v²
Las energías potenciales
La energía potencial es energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración. Puede pensarse como la energía almacenada en el sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar.
También podemos decir que es la fuerza que ejerce un cuerpo sobre otro y va a depender de cómo estén ubicados los cuerpos uno del otro, un sistema formado por dos cuerpos que se rechazan tiene mayor energía potencial.
Energía potencial elástica
Los cuerpos elásticos son aquellos que, luego de deformarse, tienden a recuperar su forma original, por ejemplo, un resorte.
Los cuerpos elásticos deformados acumulan energía potencial elástica y luego vuelven a su forma inicial. Cuanto mayor es la deformación, mayor es la cantidad de energía potencial elástica acumulada.
K=F/∆x
.
Energía potencial gravitatoria
La energía potencial gravitatoria es la que tiene un cuerpo al encontrarse a una cierta distancia de la Tierra y a medida que aumente o disminuya esa distancia aumenta o disminuye la energía potencial gravitatoria. E = peso . h
Energía potencial eléctrica
Los cuerpos dependiendo de su material tienden a ceder o tomar electrones por lo que adquieren cargas positivas y negativas, si dos cuerpos con cargas iguales se acercan se produce un efecto de repulsión y si los cuerpos tienen cargas contrarias se produce un efecto de atracción
Un globo que se frota con un paño atrae cabellos. Esto sucede porque el globo y los cabellos tienen carga eléctrica y entre ellos, actúa la fuerza eléctrica.
Energía potencial química
Todo tipo de materia esta compuesta por millones de átomos. Cada átomo es una pequeñísima partícula formada por una parte central llamada núcleo, con carga eléctrica positiva y otras partículas que lo rodean más pequeñas aun, llamadas electrones con carga eléctrica negativa.
Dos átomos cercanos pueden experimentar una atracción eléctrica y formar moléculas. Las moléculas pueden unirse entre si. Los seres vivos y todos los objetos están formados por una enorme cantidad de átomos y de moléculas unidos por una fuerza eléctrica.
La energía potencial eléctrica de las uniones entre átomos o moléculas se denomina energía química. Las pilas acumulan energía química, cuando se conecta, los átomos de estas sustancias se separan y se combinan. La energía que se libera en esta transformación genera una corriente eléctrica dentro de la pila.
Energía radiante
Las radiaciones electromagnéticas son ondas que pueden propagarse en el vacío y que trasforman energía radiante. Algunas radiaciones electromagnéticas, como la luz solar, son visibles para los humanos. Otras son invisibles, como los rayos X que se usan para hacer radiografías.
Las radiaciones pueden ser absorbidas por materiales y causan distintos efectos,. Por ejemplo, las radiaciones infrarrojas de longitud de onda mas larga, llamadas infrarrojas lejanas, producen aumento de calor del material que penetran. El calor que sentimos del sol, del fuego o de una vereda son radiaciones infrarrojas lejanas y las gamma pueden romper moléculas (en medicina se los utiliza para eliminar células tumorales.
). En cambio, radiaciones infrarrojas de longitud de onda mas corta, denominamos infrarrojas cercanas, no calientan los materiales..
Energía de masa en reposo
La materia puede existir en reposo, la radiación no, sin embargo una puede dar origen a otra. La materia en reposo tiene masa. A pesar de estas diferencias, la materia y la radiación son equivalentes.
Una cantidad muy pequeña de masa en reposo (m) equivale a una cantidad inmensa de energía radiante de acuerdo a la famosa Formula:
E=M.C²
Energía potencial nuclear
En las reacciones nucleares en cadena, como las que ocurren en las estrellas y en los reactores nucleares, una pequeña parte de la masa de todos los núcleos atómicos que reaccionan se transforma en una enorme cantidad de energía radiante.
Los núcleos de los átomos están formados por nucleones. Estos pueden ser de dos tipos: los protones con carga eléctrica positiva y los neutrones sin carga eléctrica.
El núcleo de un átomo puede imaginarse como un resorte fuertemente comprimido (que representa la repulsión eléctrica entre los protones), asegurado por una cuerda gruesa (que representa la fuerza nuclear fuerte). Esta cuerda gruesa se rompe ante el mínimo estiramiento, porque la fuerza nuclear fuerte desaparece apenas se separan los núcleos. La emisión de energía por parte de un núcleo se llama radiactividad.
Energía térmica
La energía que interviene en los cambios de temperatura se la denomina energía térmica, si pierde energía la temperatura desciende y si gana energía la temperatura aumenta.
Las fuentes de energía pueden ser renovables y no renovables. Las fuentes de energía renovables, como el sol, ofrecen cantidades de energía, tan grandes que tardarían millones de años en agotarse. Las fuentes no renovables, en cambio se agotan, por ejemplo; petróleo, gas y carbón.
Clasificación tecnológica de la energía
Un sistema que provee energía para que funcione un dispositivo se denomina, fuente de energía y puede ser renovable o no renovable.
el viento es la fuente de energía de un molino. La energía cinética del viento se transfiere a la rueda del molino y mediante mecanismos de ruedas, ejes y engranajes, la rueda se conecta en una bomba que eleva agua a un tanque.
Las unidades de energía
El sistema internacional de unidades elige un conjunto de unidades básicas, la masa de los cuerpos se mide en kilogramos (kg), las longitudes en metros (m) y los tiempos en segundos (s).
Por lo tanto las unidades la energía cinética es:
E = ½ m . v
Entonces las unidades son:
Kg . (m/s) = kg . m /s (JOULE)
Toda forma de energía se puede medir en joule. Por ejemplo; para la energía gravitatoria:
E = peso . h = m . g . h (G es la gravedad)
Kg . m/s . m = m / s = J
La primera unidad de energía que se utilizo fue la calórica (cal), definida como la cantidad de energía necesaria para aumentar en 1 C de temperatura de 1 g de agua pura.
El joule y la caloría representan cantidades pequeñas de energía. Por eso, para el consumo energético a gran escala suelen usarse otras unidades, como kilowatt-hora (kWh), igual a 3,6 millones joule.
Ordenes de magnitud
-Para elevar el agua de una casa al tanque, alcanza con la energía de tres pilas comunes.
-La energía de una batería eléctrica es igual a la de una persona que se encuentra a una altura igual a la mitad del cerro Aconcagua.
-Si toda la energía del metabolismo de alimentos se usara en los movimientos voluntarios, un deportista que come 1 g de grasa, llegaría a dar unas 200 patadas.
-En un día, un adulto consume la energía de medio vaso de nafta (150ml).
-La energía solar recibida por la tierra en 1 día equivale a 2143 veces el consumo de energía actual en Sudamérica en un año.
Equilibrio y energía
En física, el concepto de equilibrio se utiliza para referirse a aquellos estados de un sistema que no se modifican. Por ejemplo; una bolita quieta en un estado de equilibrio. Si por una influencia externa esa bolita se mueve de esa posición y se eleva a mayor altura va a estar fuera de equilibrio porque la gravedad la va a atraer hasta que este de nuevo en equilibrio. Durante la caída la energía potencial gravitatoria de la bolita disminuye y la energía cinética aumenta.
Potencia
La potencia (P) es una magnitud que mide la tasa de transferencia de energía de un proceso. Se define como el cociente entre la cantidad de energía transferida (E) y el tiempo transcurrido en el proceso (t):
P = E/t
En general, la unidad de potencia que se utiliza es el Watt (W), definida como:
1W = 1 J/s
La cantidad de energía que consume un aparato (E) depende del tiempo durante el que funciones y de su potencia, y se expresa como:
E = P. t
El caballo fuerza (HP) es una unidad de potencia, Otra unidad de potencia es el caballo vapor (CV)
1CV = 0,986 hp= 745,7 w.
Se define como el cociente entero la cantidad de energía transmitida y el tiempo transcurrido en el proceso, la unidad de medida es el watt (W) que es igual a 1 joule por segundo (1J/s). La cantidad de energía que consume un aparato depende del tiempo que funcione y de que potencia tenga E=P.t
Antiguamente la potencia se media en caballos ya que era una magnitud familiar, hoy se traduce como caballo de fuerza y equivale a 745,7 W.
Las maquinas, el trabajo y la energía
La rampa o plano inclinado es una máquina que permite elevar objetos con una fuerza de menos intensidad que la necesaria para elevarlo verticalmente, el plano inclinado permite reducir la fuerza, pero no consigue el ahorro de energía.
La palanca es una maquina que consiste en una barra rígida apoyada en un punto alrededor del cual puede girar la cantidad de energía transferida por el trabajo de la fuerza que hace el contrapeso es la misma que la transferida al cuerpo que sube. Por ejemplo; un sube y baja es una palanca.
Peso . h = contrapeso . h
En la palanca, la cantidad de energía transferida por el trabajo de la fuerza que hace el contrapeso es la misma que la transferida al cuerpo que sube. Todas las maquinas permiten hacer menos fuerza. Es decir permiten trasferir energía por trabajo, pero no ahorran energía.
Las poleas son ruedas con una ranura donde se apoyan cuerdas o correas. Una polea simple permite cambiar la dirección de una fuerza; pero si se la dispone apropiadamente, se puede multiplicar la fuerza aplicada. Esto también se puede lograr con poleas combinadas.
Eficiencia
La eficiencia o rendimiento de un proceso de transformación de energía se define como el cociente entre la cantidad de energía que se aprovecha (energía útil) y la cantidad de energía inicial (energía invertida). Se suele expresar en forma de porcentaje:
Eficiencia= E-útil/E-invertida . 100%
Por ejemplo, La palanca tiene una eficiencia de 99%
Recursos energéticos
Se considera como recurso energético a toda aquella sustancia sólida, líquida o gaseosa, de la cual podemos obtener energía a través de diversos procesos.
En las máquinas y los dispositivos tecnológicos, parte de la energía invertida se transforma en otra que no puede aprovecharse, por ejemplo, energía térmica.
Los motores de combustión
El consumo energético se ha basado principalmente en la quema de combustibles. Esa energía se utiliza, esencialmente, para el funcionamiento de motores de combustión externa (máquinas y turbinas de vapor)y de combustión interna (motores de explosión, como los de los autos y los aviones)
El funcionamiento de los motores de combustión interna se basa en al expansión de los gases cuando se calientan. Cuando los gases se expanden, ocupan mas espacio.
¿Cuanta energía se usa en el mundo?
El consumo de energía primaria a nivel mundial es aproximadamente de 10 J al año. Esto equivale a 12000 millones de toneladas de petróleo. Cada persona consume, en promedio, 2 toneladas de petróleo por año, por ejemplo; una persona en un país industrializado consume, en promedio, cinco veces más energía que otra de un país poco industrializado. Una persona necesita como mínimo 2500 kcal por día que proviene de los alimentos.
Se debe tener en cuenta que puede transformar en trabajo muscular solo una quinta parte de la energía de los alimentos.
Proyección al futuro del consumo energético
Según las proyecciones de consumo de gas, carbón y petróleo aumentara alrededor del 50%. Solo el 8% de crecimiento proyectara en la demanda de energía en las próximas dos décadas será provisto por fuentes de energía limpia. Así, se estima que las emisiones de dióxido de carbono del mundo en el año 2015 superara en una 61% al nivel del 1990.
El problema de sustentabilidad
El consumo de combustibles fósiles es insostenible desde el punto de vista económico, ambiental y social. Su uso masivo esta causando grandes daños al equilibrio en la biosfera. Por eso es necesario;
• Explotar recursos energéticos renovables y menos contaminantes
- Hacer un uso responsable de la energía.
-Seguir investigado en el desarrollo de fuentes alternativas eficientes y no contaminantes.
LA ENERGÌA NUCLEAR
La energía del Sol y las estrellas
Una de las primeras hipótesis acerca de la fuente de energía solar sostenía que era de origen químico, es decir, que era producto de la combinación de algunas sustancias, también presentes en la tierra.
Esta hipótesis se pudo poner a prueba a partir de los cálculos basados en la teoría de newton que ya se conocía en esa época.
La revolución en la física a comienzos del siglo XX
El desarrollo de nuevos dispositivos experimentales permitió estudiar la estructura atómica de la materia y su interacción como la luz y otras radiaciones.
La Mecánica cuántica explica el comportamiento de la materia y de la energía a escalas pequeñas, por ejemplo: establece que la energía de sistemas formados por partículas diminutas cambia de a saltos (o cuantos de energía)
La teórica de la reactividad explica el comportamiento de sistemas rápidos como la luz. Esta teoría aporto la idea de que la máxima velocidad posible es la de la luz en el vacío. Si un cuerpo se mueve cada vez mas rápido, su masa aumenta y es necesaria una fuerza cada vez mayor para mantener su aceleración. Si el cuerpo se acelera tanto que su rapidez es casi la de la luz, su masa crece infinitamente y no existe una fuerza que pueda acelerarlo hasta la velocidad de la luz en el vacío. La masa m de un cuerpo cambia con la velocidad v, según su relación. Según esta teoría, la masa y la energía son equivalentes, y una puede transformarse en otra según la ecuación E=m0 . c2
La radiactividad y el núcleo atómico
En 1896 Becquerel descubrió que algunos minerales con uranio emitían energía en forma de radiaciones. Este fenómeno, denominado radiactividad, es característico de algunos átomos de gran tamaño. En la actualidad, se sabe que los átomos radiactivos desprenden parte de su masa en reacciones sucesivas y que en ese proceso se transforman en átomos nuevos con características diferentes. Esta cadena de reacciones se detiene cuando el átomo resulta estable.
En 1932 con el descubrimiento del neutrón por parte del físico ingles James Chadwick se completo el modelo atomico: un nucleo formado por neutrones y protones rodeado por una nube de electrones. Un protón y un neutrón tiene masa semejante y 1800 veces mayor que la masa de un electrón. Por eso, la mas de los átomos esta así toda en el núcleo. El protón tiene carga eléctrica positiva, de igual valor y signo opuesto que la carga del electrón; el neutrón no tiene carga eléctrica. Por otro lado, el radio del átomo es 10000 veces mayor que el radio de su núcleo.
Numero atómico y numero másico
Los átomos se pueden describir en términos de la cantidad de protones, neutrones y electrones que lo forman. Se denomina número atómico, al número de protones y se lo simboliza con la letra Z. el número de neutrones se indica con la letra N, el llamado número másico se india con la letra A
ISÓTOPOS Y SEMIVIDA
Los núcleos atómicos con el mismo número de protones, pero diferente cantidad de neutrones, se denomina isotopos.
Los isotopos son inestables y se desintegran rápidamente, emitiendo radiación, son radiactivos. Ejemplo 23592U producen energía nuclear.
Cada isotopo tiene un promedio de semivida, que se define como el tiempo que los núcleos radiactivos tardan en decrecer a la mitad. (Vm)
Estabilidad del núcleo atómico
Los átomos tienen neutrones sin carga eléctrica y protones de carga eléctrica positiva, que se repelen entre sí. El núcleo se mantiene unido debido a una fuerza, llamada fuerza nuclear fuerte. Si los nucleones se separan una distancia un poco mayor que su radio, esta fuerza desparece.
Los núcleos atómicos pequeños tienen pocos nucleones muy cercanos entre si y en contacto directo, que permanecen unidos debido a la fuerza nuclear fuerte, así el núcleo resulta estable. En cambio cuando es un núcleo de gran tamaño tiene más nucleones, y por lo tanto, algunos quedan tan separados que la fuerza nuclear fuerte no logra actuar sobre ellos, por eso muchos núcleos grandes son inestables y tienden a desarmarse.
Fisión y fusión
La competencia entre las fuerzas que tienden a unir y a separar los nucleones puede producir dos tipos de reacciones nucleares:
-Fisión: un núcleo de gran tamaño se divide en fragmentos menores.
-Fusión: dos núcleos pequeños se funden y forman uno mayor.
La energía liberada en las reacciones nucleares tienen múltiples aplicaciones, algunas de ellas muy discutidas.
UNIDADES DE ENERGÍA EN FISICA NUCLEAR
Las unidades utilizadas son el electrón-volt ( eV ) que equivale:
1e V = 1,6 . 10-19 J
Otras unidades utilizadas son el kilowattelectrón-volt (keV), equivalente a 1000 e V, y también magaelectrón-volt que equivale a 100000 e V.
Energía de enlace
Es la energía necesaria para separar todos los núcleos de un núcleo estable, llamada energía de enlace del núcleo está alojada en las uniones entre los nucleones.
Fisión y centrales nucleares
La energía eléctrica se puede producir de diversas maneras. En las centrales térmicas, se queman combustibles fósiles para calentar agua y producir vapor. Este impulsa turbinas que, a su vez mueven generadores eléctricos. Las centrales térmicas nucleares que generan energía eléctrica, denominadas centrales nucleo-electricas o centrales nuclearas, funcionan de la misma manera, pero en vez de usar combustibles fósiles, utilizan la energía liberada en la reacción de fisión, (esto se usa en las centrales nucleares).
Reacción en cadena
La energía liberada en la fisión del 23592 U, es muy poca, para obtener una cantidad significativa es necesario realizar una reacción en cadena, una enorme cantidad de núcleos se fisionan prácticamente al mismo tiempo.
En las centrales nucleares estas reacciones en cadena se producen en el interior del reactor y se inicia cuando el 23592 U se bombardea con una pequeña cantidad de neutrones y se libera gran cantidad de energía.
Durante la reacción en cadena, parte de los neutrones no se aprovechan y no intervienen en la reacción, para que la reacción continúe a pesar de la perdida, siempre debe haber un numero significante de neutrones disponibles.
En las reacciones en cadenas se liberan neutrones y es necesario frenarlos, esto sucede intercalando un material moderador. Las mayorías de las centrales nucleares utilizan como moderador el agua pesada.
En el interior del reactor la fisión se produce de forma controlada, si esto no ocurre la central podría explotar.
Es muy importante hacer un uso racional del U porque es un recurso escaso en la naturaleza. Se debe tener en cuenta que con la fisión del uranio se producen radiactivos que dañan el ambiente.
Funcionamiento de una central nuclear
El diseño y el funcionamiento de las centrales nucleares debe garantizar la producción de reacciones en cadena de manera segura y controlada.
En su interior, el reactor contiene unas vainas metálicas donde se introduce el material fisible en forma de pastillas. Las vainas están rodeadas por material moderador, agua pesada. (Circuito primario)
El agua pesada se calienta por la energía liberada en fisión, circula por un primario cerrado y es presurizado. De esta manera, a pesar de estar a una temperatura de 300 C, permanece liquida. Esta agua es bombeada a través del núcleo de reactor y trasporta la energía liberada en la fisión hacia el generador de vapor.
La barras de control del reactor está fabricadas con un material que absorbe neutrones como boro, grafito o cadmio. Según cuantos se introduzcan en el núcleo del reactor, el número de neutrones absorbidos será mayor o menos.
De esta manera, se puede ajustar la potencia generada por la fisión. Si las barras se introducen totalmente, la reacción de fisión se detiene.
En el generador de vapor hay agua desmineralizada que se calienta por la energía térmica que le transfiere el agua pesada. Al calentarse, el agua desmineralizada se vaporiza y es conducida por cañerías hasta las turbinas. Estas, cuando giran por la acción del vapor, mueven un generador eléctrico que transforma la energía del movimiento en energía eléctrica. El agua del circuito primario no se mezcla con la del secundario, asi se evita la contaminación radiactiva del agua del circuito secundario.
En Argentina existen dos centrales nucleares que producen el 7% de la energía eléctrica que se consume en el pais, Atucha I, en BsAs y central nuclear Embalse, en Córdoba.
El Plutonio
Plutonio, de símbolo Pu, es un elemento metálico radiactivo que se utiliza en reactores y armas nucleares. Su número atómico es 94. se usa en los reactores nucleares contiene un porcentaje muy bajo de núcleos de U y es rico en el isotopo U. solo el U participa de la reacción en cadena y libera energía. En cambio, el U no se fisiona, pero si absorbe un neutrón, se transforma en PU. Este es un n núcleo fisionable para producir energía tanto en centrales como en armas nucleares.
Residuos nucleares
-Los residuos radiactivos son residuos que contienen elementos químicos radiactivos que no tienen un propósito práctico. Es frecuentemente el subproducto de un proceso nuclear, como la fisión nuclear.
-Los residuos radioactivos son muy nocivos para la salud y el ambiente, por eso se debe almacenar y aislar adecuadamente. El tratamiento de los residuos varía según su nivel de radiactividad.
-Residuos de radiactividad baja: son envoltorios, papeles y trapos usados en la operación y mantenimiento de la plata.
-Residuos de radiactividad media: son los componentes gastados del reactor, resinas y filtros de agua.
-Residuos de radiactividad alta: son los restos del combustible agotado que no puede ser reprocesado.
La energía de fusión nuclear
Anteriormente, se mencionó que las reacciones de fisión y de fusión nuclear liberan energía. Ambos tipos de reacciones se producen espontáneamente en la naturaleza, los humanos han logrado controlar solamente las reacciones de fisión para producir energía eléctrica en las centrales nucleares. En cambio, esto aún no se ha logrado con las reacciones de fusión.
En las reacciones de fusión nuclear, parte de la masa se transforma en energía radiante. Estas ocurren a temperaturas superiores a 10 millones de grados.
En el interior de las estrellas existen condiciones adecuadas para el proceso de fusión.
Las reacciones de fusión pueden ocurrir entre diferentes núcleos livianos ejemplo:
-Fusión deuterio-tritio: es la reacción más promisoria para producir energía artificialmente. De esta reacción se libera casi 4 veces mas energía que en la fisión nuclear.
-fusión proton-protòn: es la reacción mediante la cual la estrella más joven como el Sol, liberan energía esta reacción hace posible la vida en la tierra.
Los reactores nucleares de fusión
Si se consiguiera producir la fusión del hidrógeno de manera controlada la energía producida seria casi inagotable, esto se debe a dos razones fundamentales
• El deuterio necesario para la reacción abunda en el agua, el combustible seria el agua.
•Se produciría poca cantidad de desechos radiactivos de semivida corta, dejan de ser peligrosos a cabo e 50 años.
Para lograr la reacción de fusión del deutelio es necesario reproducir ciertas condiciones de presión y temperatura, como las que se producen en el interior de una estrella. En un laboratorio, estas condiciones se pueden reproducir bajo estrictas normas de seguridad. El método consiste en calentar hidrogeno a temperaturas muy altas. De esta manera, los átomos pierden sus electrones y se forma una “mezcla” de iones y electrones que se mueven a gran velocidad, llamada plasma.
Para que se produzca la fusión, el plasma debe mantenerse “apagado” y confinado. En las estrellas, esto sucede debido a la fuerza de gravedad.
Si bien la fusión parece sencilla, existen muchos detalles complicados que, hasta la actualidad, han impedido que los reactores de fusión produzca mas energía de las que consumen.
La evolución de las estrellas
En el año 1938, los físicos alemanes Weizsacker y Bethe descubrieron que la energía de las estrellas proviene de la transformación de masa en energía al funsionarse núcleos de hidrogeno.
Se sabe que las estrellas se organizan en las regiones mas frias del universo, por la contratación que produce la gravedad de gigantes nubes de gas hidrogeno. Al contraerse es una región, la energía potencial gravitatoria de la nube se transforma en energía cinética interna del gas y produce un aumento de temperatura.
Si al temperatura trepa a 15 millones de grados centígrados, se produce fisión de núcleos de hidrógenos y se libera energía. Entonces el centro de la nube se enciende y constituye lo que se denomina una proestrella.
La evolución de una proestrella depende del equilibrio entre dos tendencias: la de la gravedad, que tiende a concentrar la materia de la estrella, y la de la radiación producida en el centro de la proestrella, que tiende a expedirla.
Cuanto mayor es la masa de la proestrella, mas rápida y poderosa será su evolución. Durante la primera etapa, llamada secuencia principal, los núcleos de helio. El 90% de las estrellas, entre ellas el sol, están en esta etapa. Cuando casi todo el hidrogeno se ha trasferido en helio, disminuye la liberación de la energía y la temperatura baja tanto que las reacciones de fusión se detienen. La estrella “se apaga”, disminuye la presión desde su centro y se comprime. Debido a esta compresión, la temperatura aumenta nuevamente y los núcleos de helio se funcionan y forman núcleos más pesados, como el carbono. Entonces la estrella se “enciende” nuevamente. Si la etapa de expansión es muy violenta, la estrella explota y se desintegra emitiendo una gran cantidad de energía. Este fenómeno se denomina supernova.
FUENTES MACROSCÒPICAS DE ENERGÌA
El problema de las energías no renovables
Desde mediados del siglo XX, el uso de combustibles fósiles para generar energía ha aumentado hasta representar el 90% de la producción energética total a nivel mundial.
Las fuentes no renovables siguen siendo las dominantes, aunque sean motivo de conflictos internacionales y de graves impactos ambientales.
Los humanos han alcanzado un nivel tecnológico que permite transformar energía a precios convenientes en grandes cantidades en comparación con la que se puede obtener a partir de fuentes renovables, por ejemplo; energía solar, eólica, hidráulica , etc.
Los geólogos estiman que la producción de petróleo y gas natural será máxima en la próximas décadas y que los precios subirán, de esta manera se vería favorecida la introducción de fuentes de energía alternativas.
La inversión y el costo que implica el uso de energía proveniente de recursos renovables iguala, solo en pocos casos, a los que requieren los combustibles fósiles, incluso si se tiene en cuenta la proyección a futuro que sobrevendrá en ciencia y tecnología, en materia de producción energética.
El interés en aumentar la participación de fuentes de energías renovables es elevado, ya que los recursos no renovables se están acabando con el paso de las décadas.
Fuentes no renovables de energía
Los combustibles fósiles son reservorios de energía química formados a lo largo de millones de años, que se hallan en el subsuelo terrestre. Se utilizan para sintetizar plásticos y fertilizantes, entre otros productos y para obtener energía. Tienen un gran poder calorífico. Los combustibles fósiles se utilizan para calentar
También, la energía térmica liberada por su combustión se trasforma, por ejemplo; en energía cinética de motores de vehículos o de generadores de centrales eléctricas.
La mayoría de los procesos térmicos de transformación de energía tienen una eficiencia muy baja: por ejemplo; las turbinas de vapor para generar energía eléctrica tienen eficiencias no mayores de 40% y los motores de los transportes, a la 25%. Además del problema de la eficiencia, con la quema de combustibles fósiles se generan residuos gaseosos, como oxido de azufre, oxido de nitrógeno y dióxido de carbono, que provocan fenómenos, como el efecto invernadero y la lluvia acida.
Energía Solar
La energía solar es energía radiante que se puede aprovechar para calentar o para generar energía eléctrica. La transformación de energía térmica o conservación fototèrmica, se realiza con un dispositivo llamado colector solar, que absorbe y trasforma la energía radiante en energía de agitación de las partículas que lo forman.
A nivel domestico un panel fotovoltaico podría cubrir gastos eléctricos, en viviendas aisladas, no es rentable para casas con gran consumo.
El panel recibe los rayos del sol (Energía radiante) poseen refractores, cuando se calientan se produce un cambio de polaridad generando corriente. Casi siempre es alterna y se utilizan conversores para transformar la energía solar en energía eléctrica. La ventaja de esto es que puede ser almacenada, y las instalaciones duran alrededor de 25 años, pero poseen contaminación visual y son elevadamente costosas.
Energía Solar en la Argentina
En las regiones con intensa radiación solar y cielos despejados, la energía solar es una de las alternativas más visibles para abastecer grandes demandas energéticas mediante fuentes renovables. Durante los últimos años, en nuestro país, este tipo de energía ha tenido un desarrollo creciente y sostenido.
Ene el país central de energía solar térmica en San Carlos, Salta. Para producir energía eléctrica se usarían unos reflectores solares especiales llamados Fresnel, que concentran los rayos solares en una tubería de aceite. El vapor que se genera a partir del aceite caliente mueve unas turbinas conectadas a generadores eléctricos. Los ensayos previos realizados con este tipo de tecnologías mostraron que una central termo solar de 1 hectárea, con un sistema de concentración eficiente, podría producir 1MW de energía eléctrica.
La ventaja de instalar este tipo de centrales radica en que no se emitirían gases de invernadero, no se dañaría el ambiente ni habría impactos significativos en el paisaje.
En argentina se están construyendo centrales de energía solar en San Juan subsidiadas por el gobierno nacional.
Energía eólica
La energía eólica es la energía proveniente del movimientos de las masas de aires, los vientos. El aprovechamiento de la energía eólica es óptimo para velocidades de viento mayores a 20 km/h, se utilizan aerogeneradores pueden estar aislados a la red eléctrica o unidos.
La producción de energía eólica es intermitente y variable a causa de las fluctuaciones en la intensidad del viento. Debido a este inconveniente, cuando la energía eólica es volcada a un sistema interconectado y representa más del 7% de la demanda al sistema eléctrico, se debe contar con una alternativa para generar energía en aquellos periodos en los que no se dispone de potencia eólica.
La energía eólica excedente de periodos de escasa demanda se puede almacenar comprimiendo aire, elevando agua, cargando baterías eléctrica o produciendo combustibles.
Las ventajas que tiene son múltiples, se puede almacenar la energía no usada, se pueden colocar en zonas como las costas marítimas, grandes desiertos. Pero a su vez posee desventajas como contaminación visual, sonora, alto costo etc.
Energía hidráulica
La energía hidráulica es la energía cinética del movimiento de masas de agua, o la energía potencial del agua elevada. Este tipo de energía es una consecuencia de la radiación solar, que evapora el agua de los océanos, lagos y otros cursos de agua y posteriormente, al precipitar queda disponible en terrenos elevados (energía potencial gravitatoria)
En el proceso hay perdidas de energía por el rozamiento y las turbulencias del flujo del agua en los canales y las turbulencias, que oscilan entre el 5% y el 25%.
En las centrales hidroeléctricas, la energía cinética del agua que cae se trasforma en energía eléctrica. Esto se debe porque el agua hace rotar turbinas hidráulicas, las cuales están acopladas a un generador eléctrico.
Centrales hidroeléctricas
En las centrales hidroeléctricas, la energía cinética del agua que cae se transforma en energía eléctrica. Es posible porque el agua hace rotar las turbinas hidráulicas, las cuales están acopladas a un generador eléctrico. Las características de las centrales hidroelectricas son :
•Obra civil, como represas, canales de evacuaciones y derivación, depósitos, tuberías y edificios.
•Turbinas hidráulicas que pueden ser de distinto tipo y transmisiones mecánicas.
•Generadores eléctricos
•Subsistemas de regulación y de control
Las turbinas son un componente esencial de las centrales hidroeléctricas. Cuando el agua pasa y acciona sus paletas giran. La potencia instalada de una central es la máxima potencia que esta puede producir.
Según el tipo de instalaciones hidráulicas, las centrales hidroeléctricas se clasifican en centrales de agua fluyente y en centrales con embalse.
Las centrales de agua fluyente aprovechan los desniveles naturales del cauce de un rio. Parte del caudal se desvía por un canal hasta una cámara, y luego se conduce a través de turbinas con mayor pendiente posible hacia las turbinas. Los cursos de agua que se utilizan tienen un salto útil constante, pero un caudal muy variable.
Las centrales de embalse almacenan el agua de un rio. A diferencia de las anteriores, en estas centrales se puede regular el caudal de agua que se envía a las turbinas.
Otro agente determinante es el denominado factor de capacidad anual de la central, es decir el porcentaje de la potencia de la central que, eficientemente, se utiliza para producir energía. No obstante, centrales hidroeléctricas producen la energía más barata. La instalación de centrales eléctricas tiene impactos ambientales tanto positivos como negativos. Por un lado, en las etapas de instalación y explotación se inundan extensas zonas, con el consiguiente impacto social y ambiental.
Energía de los Océanos
Esta energía proviene del movimiento de las aguas oceánicas, se puede aprovechar de diversas maneras: a partir de la energía cinética de las olas, de las corrientes marinas, de cambios cíclicos del nivel del mar producido en las mareas y de la diferencia salinidad y temperatura en distintas profundidades.
Energía undimotriz
La energía undimotriz, u olamotriz, es la energía que permite la obtención de electricidad a partir de energía mecánica generada por el movimiento de las olas. Es uno de los tipos de energías renovables más estudiada actualmente, y presenta enormes ventajas frente a otras energías renovables debido a que en ella se presenta una mayor facilidad para predecir condiciones óptimas que permitan la mayor eficiencia en sus procesos. Es más fácil llegar a predecir condiciones óptimas de oleaje, que condiciones óptimas en vientos para obtener energía eólica, ya que su variabilidad es menor.
Energía geotérmica
La energía térmica del interior terrestre llamada energía geotérmica, tiende a transmitirse hacia la superficie y en algunas zonas sobre todo donde hay volcanes activos, podría aprovecharse. En el subsuelo, el agua que se filtra puede tomar contacto con rocas calientes y volver a la superficie a través de grietas o perforaciones. Los reservorios de energía geotérmica se distinguen por su temperatura. Los de baja temperatura probablemente son los más comunes, pero difíciles de detectar y contienen aguas sobrecalentada. Así se originan las aguas termales que pueden aprovecharse en sistemas de calefacción. Los depósitos naturales de vapor geotérmico se limitan a muy pocos lugares del planeta. Donde hay rocas subterráneas muy calientes, se pueden hacer dos pozos y colocarles tubos: por uno, se inyecta agua fría que se calienta al entrar en contacto con las piedras, y por el otro asciende el agua despedida. Se estima que las instalaciones duran alrededor de 50 años pero tienen un elevado costo de producción.
Esta energía no contamina
Bioenergía
El termino “bioenergía” se utiliza para cualquier forma de energía renovable proveniente de biomasa. Como fuente de energía, la biomasa permite obtener combustibles sólidos, líquidos o gaseosos mediante diferentes procedimientos.
La biomasa tiene un bajo contenido de carbono y un alto contenido de oxigeno y compuestos volátiles, que concentran una gran parte de su poder calorífico.
También se pueden obtener biocombustibles por la acción de microorganismos que requieren condiciones fáciles de generar y reproducir. Desde el punto de vista ambiental, el aprovechamiento energético de la biomasa no contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, no contamina.
Cultivos energéticos
Se llama así a los cultivos destinados exclusivamente a la generación de energía. Pueden ser plantaciones de caña o remolacha azucarera para la obtención de alcohol, o bien, de oleaginosas, como maíz, el girasol, la soja, el coco y canola, entre otras para producir biodiesel. Los cultivos energéticos compiten con la producción de alimentos y de energía, porque para ambos fines, la cantidad del suelo es similar. En la Actualidad la Argentina es el quinto productor de biodiesel a nivel mundial.