2.2: Un poco de Física Ligera de la Energía
- Page ID
- 89397
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
Cuando los físicos hablan de “energía”, están hablando de la “capacidad o capacidad para hacer el trabajo”. Los físicos, en un triunfo de la lógica circular, definen el “trabajo” como un cambio en la energía. Para la gente normal, el “trabajo” implica una amplia gama de tareas que involucran calor o movimiento, desde levantarse de la cama hasta alimentar un crucero. Prácticamente todos los aspectos de nuestra vida cotidiana implican “trabajo” y por lo tanto energía en alguna forma. Para medir la cantidad total de trabajo realizado (y así la cantidad total de energía utilizada), los físicos utilizan el joule (J). En Estados Unidos y Reino Unido, también se usa comúnmente la unidad térmica británica (Btu). El Btu se define técnicamente como la cantidad de energía requerida para calentar una libra de agua en un grado Fahrenheit. Hay aproximadamente mil Julios en una Btu. La potencia es la velocidad a la que se realiza el trabajo y se mide en vatios (W) o julios por segundo.
En el mundo no físico, sin embargo, la energía es una demanda derivada, es decir, la gente realmente no exige energía. En cambio demandan bienes y servicios que requieren de energía para ser producidos o proporcionados.
En el mundo de la física, existen varias formas de energía, entre ellas:
- Energía mecánica que implica movimiento y cambios de velocidad
- Energía química que surge de romper o cambiar los enlaces entre moléculas que ocurre cuando se queman combustibles fósiles
- Energía térmica que surge de vibraciones a nivel atómico y que genera calor
- Energía eléctrica que es el movimiento de partículas cargadas y está asociada con baterías y corrientes eléctricas
- Energía nuclear que mantiene unido el núcleo de un átomo
La energía puede y a menudo cambia de una forma a otra. Por ejemplo, una batería de automóvil, que es una forma de energía química, produce la energía eléctrica necesaria para hacer funcionar los faros. De igual manera, una locomotora diesel quema combustible diesel para producir la energía eléctrica necesaria para impulsar las ruedas del motor.
Los procesos complejos, como el proceso de producción de energía eléctrica a través de la combustión o la quema de combustibles fósiles, generalmente requieren varias transformaciones o conversiones de energía.
En una turbina de combustión simple en una central eléctrica, por ejemplo, se quema algo de combustible, como el carbón o el gas natural. Esto rompe los enlaces moleculares y produce energía química. Esta energía química se utiliza para calentar agua, producir vapor o energía térmica (razón por la cual las plantas que queman combustibles fósiles a veces se denominan plantas “térmicas”). El vapor luego gira un generador, produciendo energía mecánica, que a su vez, crea energía eléctrica. Una central nuclear funciona exactamente de la misma manera, excepto que la energía para calentar el agua proviene de reacciones nucleares (fisión, la ruptura del núcleo de un átomo) más que de la combustión de combustible.
Figura 1: En una central térmica, se quema combustible para generar vapor, el cual hace girar una turbina para generar electricidad.
Fuente: Administración de Información Energética de los Estados Unidos (EIA)
La primera ley de la termodinámica, también conocida como conservación de la energía, describe estas transformaciones. Afirma: La energía no puede crearse ni destruirse; sólo puede cambiar de forma.
Pero cada vez que se produce una conversión de energía, se pierde algo de energía y normalmente como calor. Piense en el calor que emiten las bombillas o el calor que emite un motor de automóvil después de ser conducido. Esta es la segunda ley de la termodinámica, que dice básicamente que lo que obtienes de una conversión energética siempre es menor de lo que pones en.
Para regresar a la central eléctrica, por cada unidad de combustible que se quema, solo alrededor de un tercio sale como energía eléctrica, lo que parecería violar la primera ley de la termodinámica (el contenido de energía del combustible de entrada debe ser igual a la salida de energía). Entonces, ¿a dónde fueron los otros dos tercios?
La mayor parte de la energía se pierde como calor ya que el vapor simplemente escapa a la atmósfera, razón por la cual las grandes centrales eléctricas requieren inmensas torres de enfriamiento. El calor perdido de la torre de enfriamiento más la salida de electricidad de la planta es casi igual a la entrada de energía. Dicho de otra manera, en términos de capturar energía térmica para convertirla en electricidad, la mayoría de nuestras centrales eléctricas operan con una eficiencia aproximada del 35 por ciento.
Las tecnologías más nuevas pueden reducir la cantidad de calor residual. Las plantas de ciclo combinado capturan el gas de escape y lo utilizan para hacer funcionar una segunda turbina. Las plantas combinadas de calor y energía (CHP) utilizan los gases de escape para calentar los espacios de los edificios o el agua.
Tenga en cuenta estos principios rectores de la conversión de energía:
- Ningún proceso energético es completamente reversible ya que parte de la energía se pierde.
- Una máquina cuya entrada es energía mecánica puede crear energía útil (generalmente energía eléctrica) con pérdidas mínimas. Los ejemplos incluyen presas hidroeléctricas, turbinas eólicas y alternadores.
- Una máquina cuyo aporte es energía térmica nunca puede ser 100 por ciento eficiente en la creación de energía útil. Ejemplos como la quema de combustibles fósiles, centrales nucleares y motores de combustión interna.
Verifique su comprensión
1. Verdadero o Falso: La primera ley de la termodinámica establece: la energía no puede crearse ni destruirse; sólo puede cambiar de forma.
- Contestar
-
Cierto
2. En Estados Unidos y Reino Unido, se utiliza la unidad térmica británica (Btu) para medir la energía utilizada. Definir Btu.
- Contestar
-
El Btu se define técnicamente como la cantidad de energía requerida para calentar una libra de agua en un grado Fahrenheit.
3. Supongamos que tiene una bombilla de 500 vatios que es alimentada por la quema de carbón. Si el carbón se transforma en electricidad con una eficiencia perfecta, ¿cuánto tiempo tendría que quemar la bombilla antes de consumir una tonelada de carbón?
- 1.4 años
- 5.4 años
- 10 años
- 14 años
- Contestar
-
La respuesta es A:
Por qué la respuesta es A:
Necesitamos determinar el contenido total de Btu de una tonelada de carbón, y determinar cuánta electricidad podría producirse con tantos BTU. Del Cuadro 1, vemos que una tonelada de carbón tiene 20.7 millones de Btu de energía. Dado que el carbón se transforma en energía eléctrica con una eficiencia perfecta, cada kWh generado requiere 3,412 Btu de carbón. La cantidad de kWh de electricidad que se puede producir a partir de una tonelada de carbón con una eficiencia perfecta es:
Hacer las matemáticas
(20.7 millones de Btu) ÷ (3,412 Btu por kWh) = 6,069 kWh de electricidad.
La bombilla utiliza electricidad a una tasa de 500 Watts, o 0.5 Kilowatts. Para encontrar la cantidad de tiempo que funcionará la bombilla, dados 6,069 kWh de energía eléctrica, dividimos la cantidad total de energía por la velocidad a la que la bombilla utiliza la energía.
Tiempo de funcionamiento de la bombilla = 6,069 kWh ÷ 0.5 kW = 12,133 horas. Hay 8,760 horas en un año (no bisiesto), por lo que la bombilla funcionaría 1.4 años (apenas por debajo de dieciocho meses) con una tonelada de carbón.
4. Ahora supongamos que la bombilla de 500 vatios es alimentada por carbón que se convierte en electricidad con 35% de eficiencia. ¿Cuánto tiempo tendría que quemarse la bombilla antes de que consumiera una tonelada de carbón?
- Contestar
-
La respuesta es B, casi 6 meses.
La explicación:
Nuevamente, necesitamos determinar el contenido total de Btu de una tonelada de carbón, y determinar cuánta electricidad se podría producir con tantos BTU, pero esta vez necesitamos determinar cuántos BTU se requieren para generar un kWh de electricidad si la conversión del carbón a electricidad es sólo 35% eficiente. En otras palabras, necesitamos usar la Ecuación 2 para determinar la tasa de calor de la central de carbón.
Hacer las matemáticas
Ecuación 2: Tasa de calor = (tasa de calor ideal) /eficiencia = (3412 BTU/kWh) /eficiencia. Al enchufar la eficiencia de 0.35 (35%), obtenemos una tasa de calor de:
Tasa de calor = (3412 BTU/kWh) /0.35 = 9,750 BTU/kWh.Por lo tanto, nuestra planta de energía de carbón requiere 9,750 Btu de carbón para producir un kWh de electricidad. El número de kWh de electricidad que se puede producir a partir de una tonelada de carbón con una eficiencia del 35% es así:
(20.7 millones de Btu) ÷ (9,750 Btu por kWh) = 2,123 kWh de electricidad.La bombilla utiliza electricidad a una tasa de 500 Watts, o 0.5 Kilowatts. Para encontrar la cantidad de tiempo que va a funcionar la bombilla, dados 2,123 kWh de energía eléctrica, dividimos la cantidad total de energía por la velocidad a la que la bombilla utiliza la energía.
Tiempo de funcionamiento de la bombilla = 2,123 kWh ÷ 0.5 kW = 4,246 horas, o apenas menos de seis meses.