Bloque 2. LA ENERGÍA.

Capítulo 1. ENERGÍA. UNIDADES.

Llamamos energía a la propiedad que asociamos con la capacidad que tienen los cuerpos para producir cambios o transformaciones en ellos mismos o en otros cuerpos. Ej.: El aire tiene energía, es capaz de mover un velero o las aspas de un molino. La madera posee energía, ya que al quemarla puede hacer hervir el agua.

Casi toda la energía de que disponemos proviene del Sol. Por ejemplo, gracias a la luz solar las plantas realizan la fotosíntesis y fabrican materia orgánica que es utilizada por el resto de los seres vivos para obtener la energía que necesitan.

La energía posee unas características importantes:

• Se transfiere. Puede pasar de unos cuerpos a otros. Por ejemplo mezclamos agua caliente con agua fría, pasa energía del agua caliente a la fría.
• La energía se transforma. Con esto queremos indicar que una forma de energía puede convertirse en otra. Por ejemplo, la energía eléctrica puede convertirse en energía química al cargar la batería de un teléfono móvil.
• Puede ser transportada. Puede pasar de un lugar a otro, en forma de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas), mediante tendidos eléctricos…
• Se puede almacenar, en pilas, baterías, pantanos etc.
• La energía se conserva. Permanece constante cuando pasa de un cuerpo a otro o cuando una forma de energía se transforma en otra. Esta característica se conoce como el principio de conservación de la energía: la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.
• La energía se degrada. Hay formas de energía más útiles que otras (en el sentido de que nos permiten provocar más trasformaciones). Una vez que se usa la energía en una transformación determinada, pierde parte de su utilidad. Decimos entonces que la energía se ha degradado o ha perdido calidad (no decimos que se ha gastado). Por ejemplo, una resistencia eléctrica produce calor, pero es muy difícil volver a convertir ese calor en energía eléctrica.

La energía produce cambios en los cuerpos, se transfiere de un cuerpo a otro, se puede transportar y almacenar, cambia de una forma a otra y se conserva en cantidad pero pierde en calidad durante los cambios.

La unidad de energía en el Sistema Internacional es el julio (J). Otras unidades de energía utilizadas con frecuencia en la vida diaria se muestran en la siguiente tabla.

Capítulo 2. TIPOS. TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA Y SU CONSERVACIÓN.

La energía se presenta de distintas formas, que se pueden convertir unas en otras.

Energía cinética. Está asociada a los objetos en movimiento. Un cuerpo en movimiento es capaz de provocar cambios que no podría realizar estando en reposo. Esta energía depende de la velocidad y la masa del cuerpo.

Energía potencial. Está asociada a la posición que ocupa el cuerpo. Por ejemplo, un cuerpo situado a cierta altura del suelo puede caer, poniéndose en movimiento y empujar a otro.

Energía eléctrica. Relacionada con el movimiento de las cargas eléctricas. Es una energía muy versátil pues puede convertirse fácilmente en otras formas de energía. Es limpia, de fácil transporte y disponible. El funcionamiento de los electrodomésticos en el hogar es un ejemplo de su uso.

Energía interna. Se relaciona con los movimientos que tienen las partículas que forman los objetos. Es proporcional a la masa y a la temperatura de los objetos y es importante en los cambios de estado. Por ejemplo, cuando el agua pasa de sólido (hielo) a líquido aumenta su energía interna.

Energía química. La poseen los compuestos químicos y se pone de manifiesto en las reacciones químicas. La poseen los alimentos, las baterías, las pilas, la gasolina o el gas natural.

Energía nuclear. Se genera en el núcleo de los átomos, de donde se liberan grandes cantidades de energía. Se utiliza en las centrales nucleares para producir electricidad.

Energía térmica o calor. Es una energía que pasa de un cuerpo a otro al estar a diferente temperatura. El calor es una energía en tránsito, una forma de pasar energía a otro (desde el de mayor temperatura al de menor temperatura).

Sin duda, alguna vez habrás oído frases como “ya no tiene energía” o “se le está acabando la energía”; sin embargo, desde el punto de vista de la física, es incorrecto. Lo que ocurre es, sencillamente, que la forma de energía inicial se ha transformado en otro tipo de energía que ya no podemos usar. Si pensamos en los fuegos artificiales, la pólvora contiene energía química que se transforma en cinética, potencial, sonora, luminosa y calorífica, manteniéndose constante la energía total.

La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Capítulo 3. ENERGÍA TÉRMICA. EL CALOR Y LA TEMPERATURA.

Calor y temperatura son términos que tendemos a confundir. Hablamos de calor cuando queremos referirnos a la temperatura, y decimos que un cuerpo tiene calor cuando lo correcto sería decir que se encuentra a una determinada temperatura.

Calor es la energía que pasa de un cuerpo a otro cuando están en contacto y tienen distinta temperatura. El calor pasa del cuerpo caliente al frío hasta que las temperaturas se igualan, entonces alcanza el equilibrio térmico.

Las sustancias están formadas por partículas que están en continuo movimiento. Este movimiento se denomina agitación térmica. Debido a esta agitación, cada partícula posee energía cinética. La suma de las energías cinéticas de todas las partículas de un cuerpo se denomina energía interna.

Temperatura es una medida del movimiento de las partículas que forman las sustancias. A mayor temperatura, mayor agitación de las partículas.

Cuando se suministra calor a un cuerpo, aumenta el movimiento de sus partículas, la energía cinética de cada una y, por tanto, la energía interna y, en consecuencia su temperatura. Esta es la causa de que los cuerpos varíen de tamaño o cambien de estado.

Cuando un cuerpo se calienta, las partículas que lo forman se mueven más deprisa, ocupan más espacio, y su volumen aumenta (dilatación).

Si un cuerpo cede calor, sucede lo contrario; sus partículas se mueven menos, se enfría y disminuye su volumen (contracción).

La dilatación es el aumento de volumen de los cuerpos con la temperatura. Al aumentar la temperatura, aumenta la agitación térmica y con ella la distancia entre las partículas, aumentando su tamaño.

Cambios de estado.

La materia se puede presentar en tres estados, variando la temperatura puede pasar de uno a otro. Es posible explicar los cambios de estado mediante la teoría cinética.

Al suministrar calor aumenta la agitación de sus partículas. Si seguimos calentado llegará un momento en que sus partículas se muevan tanto que pasará a líquido (fusión). Si el calentamiento es aún mayor las partículas se moverán más y la sustancia llegara a pasar a gas (vaporización).

Por el contrario, al enfriar una sustancia gaseosa, disminuye la agitación de sus partículas y terminará pasando a líquido (condensación). Si seguimos enfriando sus partículas se moverán aún más lentamente y alcanzará el estado sólido (solidificación).

Algunos sólidos pasan directamente de sólido a gas (sublimación) o de gas a sólido (sublimación regresiva o inversa).

Mientras tiene lugar un cambio de estado, la temperatura no varía aunque estemos aportando o quitando calor. Esta energía se utiliza en deshacer o formar las uniones entre las partículas para pasar a un nuevo estado.

Capítulo 4. FUENTES DE ENERGÍA.

El desarrollo de la humanidad está atado al descubrimiento y uso de las diferentes fuentes de energía. Estas fuentes han permitido la mejora de las condiciones de vida de nuestra sociedad en muchos ámbitos: vivienda, alimentación, salud, cultura, trabajo, etc.

En la Tierra hay enormes cantidades de energía, pero no todas ellas son accesibles y explotables.

Las fuentes de energía son el conjunto de recursos existentes en la naturaleza, al alcance del ser humano, y con los cuales se puede obtener la energía necesaria para utilizar en el desarrollo de sus actividades.

Las fuentes de energía se pueden clasificar en:

En los últimos años se ha ido incrementando la utilización de las energías procedentes de fuentes renovables, debido al agotamiento de las fuentes no renovables y al intento de reducir los efectos perjudiciales que estas tienen sobre el medio ambiente (emisión de gases de efecto invernadero, lluvia ácida, suciedad ambiental y residuos tóxicos).

4.1 Fuentes de energía no renovables

Carbón.

El carbón es un combustible fósil de color negro formado hace millones de años cuando los restos de vegetales quedaron enterrados en zonas poco profundas. Estos restos se han ido transformando en carbón bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, a lo largo de millones de años. Existen cuatro tipos de carbón: la antracita, la hulla, el lignito y la turba. La antracita es el carbón mineral más antiguo, tiene mayor contenido en carbono y por tanto mayor capacidad calorífica. Le sigue la hulla, el lignito y la turba.

Entre los usos del carbón destacan:

• Combustible utilizado en las centrales térmicas para producir electricidad (90%).
• Usos domésticos: calefacción, cocina…
• En la siderurgia para la producción de acero.

En Asturias hay varias centrales térmicas que queman carbón. Las más importantes se recogen en la siguiente tabla.

Petróleo

El petróleo está formado por una mezcla de sustancias que se formaron hace millones de años por acumulación de microorganismos marinos en el fondo del mar. Al quedar enterrados y bajo condiciones adecuadas de presión y temperatura, se transformaron en petróleo.

El petróleo no tiene aplicaciones tal como sale del pozo (crudo). Para utilizarlo como combustible debe ser sometido a una serie de operaciones de destilación fraccionada en las refinerías, obteniéndose: gases combustibles (propano, butano), gasolina, gasóleo, fuel, lubricantes y asfalto.

Desde el principio del siglo XX el petróleo ha ido desplazando al carbón, pero a partir de la segunda mitad de ese siglo se hace imprescindible en las economías occidentales, siendo insustituible en la industria petroquímica para la elaboración de fibras, plásticos, pinturas, abonos, etc y en el transporte.

Gas Natural

El gas natural es una mezcla de gases en la que el metano es el componente principal. Se emplea tal como se obtiene de la naturaleza. Aunque una vez extraído debe ser licuado para facilitar su transporte y almacenamiento. Se usa:

• Como combustible doméstico, industrial y en ciertos vehículos.
• En la centrales térmicas para producir electricidad.

Cada vez es mayor su utilización, porque produce menos contaminación que el carbón y el petróleo y tiene gran poder calorífico. Puede sustituir al carbón y al petróleo en casi todas sus aplicaciones.

Uranio

Es la materia prima de la que se alimentan las centrales nucleares. En el proceso nuclear que tiene lugar en el núcleo del reactor, los núcleos de uranio se rompen liberando gran cantidad de energía. Un kilogramo de uranio produce unos dos millones de veces más de energía que un kilo de carbón.

El almacenamiento de los residuos nucleares radiactivos es, quizás, el mayor problema al que se enfrenta esta fuente de energía. En la figura se muestra un esquema de una central nuclear.

A la izquierda se encuentra la cúpula que contiene al reactor, donde tienen lugar los procesos nucleares y la liberación del calor. A continuación se encuentra el edificio donde están las turbinas y el alternador que produce electricidad. La gran torre central sirve para refrigerar.

4.2 Fuentes de energía renovables

Energía hidráulica

Consiste en utilizar la energía potencial del agua embalsada a cierta altura y transformarla en energía eléctrica mediante turbinas.

Es relativamente sencillo almacenar grandes cantidades de agua mediante embalses, por lo que es una fuente de energía segura, rentable y no produce residuos. Además la construcción de embalses ayuda a controlar las inundaciones y a suministrar agua durante las estaciones secas

Tiene algunos inconvenientes, tales como su dependencia de la pluviosidad, pérdida de suelos fértiles, desalojo de poblaciones, modificación de cauces de ríos y el impacto ecológico sobre su entorno. Precisa de grandes inversiones para la construcción de presas y para el tendido de grandes redes de distribución al estar los centros de producción lejos de los de consumo. Es una de las energías renovables más utilizada en países con geografía accidentada y suficientes ríos, como el nuestro.

Las centrales hidráulicas en Asturias son de tamaño pequeño no superando los 125 MW. Las más importantes se recogen en la tabla siguiente:

Central	Ubicación	Potencia (MW)
Proaza	Proaza	48
Tanes	Caso-Sobrescobio	123
Priañes	Oviedo	18,4
La Barca	Tineo	57,7
Miranda	Belmonte de Miranda	64,8
Salime	Grandas de Salime	112

Hay otras 26 minicentrales que no superan los 10 MW de potencia cada una y que en total suman 87 MW entre las que destacan las de La Malva (Somiedo), La Riera o La Florida (Narcea-Tineo).

Energía eólica

Se aprovecha la energía cinética del aire que se transforma en electricidad en unos aparatos llamados aerogeneradores (molinos de viento especiales). Al igual que la energía solar, es limpia, inagotable, gratuita y no contaminante.

Pero presenta inconvenientes: es dispersa, intermitente y de irregular intensidad. Los aerogeneradores tienen grandes dimensiones. Necesitan vientos de dirección y velocidad adecuados. Así, con vientos menores de 5 m/s no funcionan, y con superiores a 20 m/s se pueden producir grandes averías.

En Asturias hay más de una docena de parques eólicos, la mayoría situados en la zona occidental (Valdes, Boal, Allande, Grandas, Tineo, Oscos,…)

Energía solar

Consiste en transformar la energía que nos llega del Sol en energía eléctrica o térmica.

Ventajas: Es inagotable, gratuita y no contamina. Inconvenientes:

• Su disponibilidad varía en función de diferentes factores: nubosidad, estaciones, sucesión día-noche, no se puede almacenar, etc.
• Su utilización a gran escala necesita de sistemas de captación que utiliza grandes extensiones de terreno, que quedan inutilizadas para otros usos.

Se puede aprovechar por dos vías: térmica y fotovoltaica.

• La energía solar térmica consiste en la utilización de la energía solar para calentar agua. La energía obtenida se utiliza para obtener agua caliente y calefacción de uso doméstico.
• La energía solar fotovoltaica permite la transformación directa de energía del Sol en energía eléctrica mediante paneles solares. El rendimiento de los paneles solares es bajo y los propios paneles son caros, por lo que la energía eléctrica obtenida con ellos está subvencionada.

Energía de la biomasa

Se llama biomasa a la cantidad de materia orgánica procedente de la transformación de los seres vivos.

La energía que se obtiene de la biomasa se produce de tres formas:

• Mediante cultivo de especies de rápido crecimiento y alto contenido energético, como algas, cardos, chumberas o cereales.
• Aprovechando los residuos urbanos, agrícolas, ganaderas, forestales.
• Transformando sustancias vegetales para convertirlas en productos energéticos: el biodiésel, biogás y etanol. En Brasil hay un programa para sustituir, parcialmente, la gasolina de los coches por alcohol obtenido por la fermentación de la caña de azúcar. De los desechos de aceites usados se puede extraer otro combustible, el biodiésel. Actualmente el uso de la biomasa se hace principalmente para producir biogás (composición parecida al gas natural).

Otras energías renovables

• La energía geotérmica se basa en el calor que sale de las profundidades de la Tierra, y que se trasmite por conducción hasta la superficie. Es producido continuamente por la lenta desintegración de los elementos radiactivos que se hallan en las profundidades de nuestro planeta. En Islandia la mitad de las viviendas utilizan este calor para la calefacción.
• Las energías mareomotriz y la del oleaje consisten en aprovechar la energía cinética del agua en las mareas y las olas. La energía térmica aprovecha la diferencia de temperaturas entre la superficie del mar y las profundidades donde el agua está más fría. Es una fuente de energía limpia, sin residuos y prácticamente inagotable. Inconveniente: la energía dispersa y las instalaciones son grandes y costosas. La tecnología que se requiere está poco desarrollada.

Capítulo 5. USO RACIONAL DE LA ENERGÍA.

Es fundamental el ahorro de fuentes de energía tradicionales, debido a que son un recurso limitado que no se debe desperdiciar. Además, reduciendo el consumo reduciremos el impacto sobre el medio ambiente, el ruido, la contaminación del aire y de las aguas y la acumulación de desechos.

Se calcula que en las ciudades se consume el 75% de la energía en usos domésticos, calefacción, transporte y alumbrado. Por esto la mayor parte de los programas de ahorro (reciclado de papel, vidrio, metales, aislamiento de viviendas, uso de transporte público) van dirigidos al ciudadano. El ahorro y el reciclado deben considerarse como una actividad rentable por lo que debe contar con apoyos financieros y constituir un objetivo básico en todo plan energético.

Se puede ahorrar mucha energía con muy poco esfuerzo, sólo hay que seguir algunas normas sencillas:

Ahorro de electricidad

• Apagar las luces y los electrodomésticos cuando no se utilicen.
• Cambiar las bombillas tradicionales por las de bajo consumo.
• Si es posible, no utilizar la electricidad como sistema de calefacción o para cocinar.
• Usar los electrodomésticos a pleno rendimiento: poner la lavadora llena, abrir la puerta del frigorífico el menor tiempo posible, desconectar la plancha al terminar, etc.

Ahorrar en calefacción

• Disponer de buen aislamiento en paredes, puertas y ventanas de la vivienda.
• No tener demasiado caliente la casa en invierno. Con 20 ºC es suficiente.
• No poner muy frío el aire acondicionado en verano. Con 22 ºC está bien.
• Emplear combustibles menos contaminantes como el gas natural.
• Realizar un mantenimiento periódico de la caldera para que su rendimiento sea óptimo.

Ahorrar en transporte

Viajar, siempre que sea posible, en transporte público y, si las distancias son pequeñas, ir a pie o en bicicleta. Viajar en coche a velocidades moderadas con marchas largas. Realizar un mantenimiento periódico del motor para optimizar su rendimiento y disminuir el consumo.