martes, 19 de julio de 2022

1.- PRODUCCIÓN DE ENRGÍA: INTRODUCCIÓN

No podemos concebir nuestra sociedad actual sin la palabra ENERGÍA. Pero que es en realidad la energía y por qué se considera de tanta importancia en nuestra sociedad. Desde el punto de vista científico la energía es la capacidad de generar trabajo. La ciencia la considera un concepto de tal importancia que su estudio ha dado lugar a la TERMODINÁNICA. Pero además de las implicaciones científicas, la energía es importante en el mundo tecnológico porque sin ella no se pueden construir máquinas que es la función fundamental de la INGENIERIA. La necesidad de la energía para poner en funcionamiento nuestro mundo hace que sea importante dentro de la política y la economía de cualquier país desarrollado. Desarrollaremos el concepto de ENERGÍA desde el punto de vista tecnológico.
La característica más importante de la energía parece ser su facilidad en transformarse. Esta característica ha dado lugar a la famosa frase:

"La energía no se crea ni se destruye tan sólo se transforma"

A lo que la Termodinámica convirtió en su primer principio:

"Es imposible producir trabajo sin hacer variar la energía"

La expresión matemática de dicho principio da lugar a una función de estado (magnitud cuyo valor sólo depende del estado inicial y final y no del camino recorrido) denominada energía interna (E),  y que de alguna manera refleja las diferentes configuraciones de las moléculas.

ΔE = Q - W

El calor Q, en termodinámica representa todos los tipos de energía y el trabajo W se asocia con el desplazamiento de una fuerza. 

Hemos comentado que existen diferentes tipos de energía y que el calor es sólo una de ellas. En la siguiente tabla recogemos los diferentes tipos de energía, su forma de cálculo y algunas de sus peculiaridades más interesantes.


NOMBRE DEFINICIÓN FORMA DE CÁLCULO
MECÁNICA Es el tipo de energía que se asocia a las fuerzas E. mecánica= E. cinñetica + E. potencial
CINÉTICA Es la energía de un cuerpo debido a su movimiento  E. cinética = 1/2 m v 2 ;
POTENCIAL Energía asociada a la posición de un cuerpo en el espacio. Generalmente por encontrarse en un campo conservativo E potencial = m g h
ELECTRICA Energía producida por las cargas electricas, tanto estáticas como en moviento  E = V I t
TÉRMICA El calor es una forma de energía en tránsito asociada al movimiento de las partículas que forman un cuerpo. Se manifiesta mediante cambios en la temperatura (calor sensible) o cambios de estado (calor latente). Puede intercambiarse mediante conducción (partícula a particula), convección (en fluídos debido a cambios de densidad) o por radiación (como rayos infrarrojos). E= m cp Δ t
E = m L
QUÍMICA Toda reacción química lleva asociada un intercambio de energía que se conoce como calor de reacción y por ser procesos a presión constante se puede asociar a cambios entalpicos (función de estado temodinámica). Depende del tipo de reacción química
RADIANTE Energía asociada con las ondas electromagneticas Depende del fenómeno electromagnetico
NUCLEAR La energía propia de la materia  y procesos de fusión o fisión nuclear. E = m c 2
BIOQUÍMICA Asociada a procesos biológicos  Depende del proceso


Como cualquier magnitud física la energía precisa de una unidad para su medición. En el caso de la energía dicha unidad es el julio en el Sistema Internacional, pero existen otras unidad de energía que son muy interesantes y frecuentemente utilizadas. La más conocida es la caloría. Una caloría es el calor puesto en juego para elevar un grado centígrado (de 14,5 a 15,5) la temperatura de un gramo de agua. Equivale a 4,18 julios. El kilovatiohora (Kwh) es otra unidad muy conocida. Es la energía correspondiente a una potencia de un Kw durante una hora. Si el Kw=1000 w y la hora a 3600 s, se puede hallar fácilmente la equivalencia en julios, 3,6 millones de julios. Existen otras, como la tonelada equivalente de petroleo, que quizá utilicemos en esta unidad didáctica.

Aunque la energía se pueda transformar existen algunas transformaciones que no son posibles y han dado lugar al segundo principio de la Termodinámica definiendo otra función de estado denominada entropía. La degradación de la energía hace que el rendimiento de las máquinas nunca sea del 100%, aunque algunos motores se acerquen mucho.

Nuestra sociedad y la naturaleza existe gracias a las transformaciones energéticas, por eso la energía es tan importante para nosotros.








ACTIVIDADES

1.- Desde un helicóptero a una altura de 100m, se suelta un objeto de 2Kg. Calcula la energía mecánica, cinética y potencial en los siguientes puntos:
a) Antes de soltar el objeto
b) Cuando está a 50 m del suelo
c) Cuando está a 10 m del suelo
d) Justo antes de impactar.

a)Recordemos que la energía mecánica es la suma de las energías potencial y cinética, por lo que su valor deberá ser constante a lo largo de todo el proceso. La energía potencial depende de la posición y se calcula mediante Ep = m g h. La cinética depende de la velocidad y se calcula como Ec= 1/2 m v 2.
Comencemos por calcular la energía potencial antes de soltar el objeto.
 Ep = 2 Kg. 9,8 m/s2 100m =1960 J y es igual a la energía mecánica siendo la energía cinética 0J

b) A mitad de recorrido la energía potencial se habrá reducido a la mitad es decir a 980 J, pero la mecánica deberá seguir siendo 1960 J, por lo que la cinética será el resto, es decir los otros 980J.

c) Cuando está a 10 m del suelo, la energía potencial será Ep= 2Kg 9.81 m/s2 10m = 196 J, pero la energía mecánica seguirá siendo 1960 J, por lo que la energía cinética ahora será 1960J-196 J = 1764J

d) Si la altura es cero la energía potencial también y toda la energía mecánica será energía cinética y por lo tanto ambas son 1960 J

2.- Una placa de vitrocerámica de 220V por la que circulan 5 A está conectada 2 h ¿Qué energía ha consumido?

Sabiendo que la energía eléctrica tiene como forma de cálculo E = I V t, sólo hay que sustituir los valores y operar

E = 5 A 220V 2h 3600 s/h = 7, 92 10 6 J

3.- Una bombilla conectada a 220 V, con una potencia de 100 W está encendida 3 horas como media al día. Calcula la energía en Kwh y en J, que consume en un mes.

Un mes son 30 días y al día consume E= 100 w / 1000 Kw/w *3 h  = 0,3 Kwh/ día. Por lo que en un mes (30 días) es 0,3 Kwh /dia *30 dias = 9 Kwh 

Dicha cifra hay que pasarla a julios lo que significa multiplicar 9Kwh por  3,6 10 J/Kwh, resultando finalmente 3,24 10 7 J.

4.- Se dispone de un motor para bombear agua a un depósito que se encuentra a 20 m de altura. Calcula el rendimiento si con 2Kg de combustible suministramos al deposito 50.000 litros. DATOS Poder calorífico del combustible 3500 Kcal/Kg y 1l de agua es 1Kg.

La energía suministrada por el combustible es 2Kg * 3500 Kcal/Kg = 7000 Kcal.
El trabajo realizado será 
Ep = m g h = 50.000 Kg * 9.8 * 20m  / 4,18 Cal/J *1000 Kcal/cal = 2344,5 Kcal

Por lo que el rendimiento será 2344,5 Kcal/7000 Kcal *100 = 33, 5 %.

5.- Calcula la variación de energía de un sistema en los siguientes casos:
a) El sistema absorbe 1000 cal y realiza un trabajo de 1500 J
b) El sistema absorbe 700 cal y recibe un trabajo de 40 Kpm
c) Del sistema se extraen 1200 cal.

Según el primer principio de la Termodinámica no se puede producir trabajo sin variar la energía. Su enunciado matemático precisa de una función de estado denominada energía interna y que según la Termodinámica estadística estaría asociada físicamente al estado de vibración y/o movimiento de las partículas (átomos/iones/moléculas) de la materia. Según dicho principio los intercambios energéticos pueden ser positivos o negativos dependiendo entren o salgan del sistema. El criterio de signos resulta a veces complejo. El siguiente gráfico intenta explicar dicho criterio



 Y la expresión matemática del primer principio resulta  Δ U= Q-W . Ahora podremos resolver el problema:

a) Δ U= Q-W = 1000 cal *4,18 J/cal - 1500 J = 4180 J-1500 J = 2680 J
b) Δ U= Q-W = 700 cal *4,18 J/cal - (-40 Kpm * 9,8 J/Kpm) = 2926 J + 392 J = 3318 J
c) Δ U= Q-W = -1200 cal *4,18 J/cal -0 J = -5016 J


6.- Un motor de gas de 1,2 CV hace funcionar una grúa. Se desea elevar un peso de 1000 Kg a una altura de 27 m. Calcula el volumen de gas que debe quemar el motor. Datos Poder calorífico del gas 7500 Kcal/m3; rendimiento del motro 15%.

El trabajo que debemos realizar corresponde a un aumento de energía potencial, cuyo valor es


Ep = m g h = 1000 Kg 9,81 m/s2 27 m = 2, 65 10 5 J.


Como el rendimiento del motro es del 15%, significa que hay que suministrar al motor 

0,15 = W/ E   E = W/ 0,15= 2,65 105 J /0,15 = 1,76 10 6 J = 1, 76 106 J / 4,18 Cal/J = 4,2 105 cal


Y dicha energía proviene del combustible, suponiendo que el rendimiento de la combustión sea del 100%

                                                           420 Kcal = Pc * V = 7500 Kcal/ m3 = 0,056 m3= 56 l


Es decir se precisan 56 l de combustible.

7.- FOMULARIO

1.- Inducción
2.- 100 W *2 h*7= 1400 wh=1,4 Kwh
3.- Si no hay movimiento no hay energía cinética
4.- W = F *d ==== F= W/d = 80 J/ 10 m = 8 N
5.- 80J / 4,18 J/cal = 19 cal
6.- Enegía térmica
7.- Electrolisis
8.- W= mgh = 10000 Kg 9,8 20m = 1960000 J y ha consumido E= 220 V 10A 3600 s=7920000 J
El rendimiento es  1960000 J / 7920000 J = 0,25 
9.- ΔE = Q-W

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3.- CONTROL DE CALIDAD

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