La energía y sus fuentes

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“La energía es el motor que hace funcionar el mundo. Sin energía no tendríamos iluminación ni calefacción en nuestras casas, no podríamos ver la televisión, ni desplazarnos en coches o autobuses. Su uso forma parte de nuestro estilo de vida y por eso solo nos preocupamos de ella cuando nos falta.

A medida que una sociedad es más desarrollada, consume más energía, pero no siempre lo hace de un modo eficiente”

Este texto señala la necesidad de la energía y el riesgo de su consumo irracional. Es necesario conseguir un modelo de desarrollo sostenible que haga compatible el progreso y la mejora de la calidad de vida de toda la población con el cuidado del entorno.

La energía y los cambios:

En la naturaleza se observan continuos cambios y cualquiera de ellos necesita energía: el movimiento de un automóvil, las actividades vitales de  un ser vivo, el funcionamiento de una máquina etc.

La energía es una propiedad de los materiales que les permite experimentar y producir cambios.

La energía de los sistemas puede relacionarse con otras propiedades de los mismos y hace referencia a ella con diversos calificativos, como química, por ejemplo la energía de los alimentos y de los combustibles; eléctrica, como la energía suministrada por una pila; nuclear, como la energía liberada en la fisión de los átomos de uranio; Térmica, como la energía del agua caliente; etc.

Sin embargo, todas las formas de energía pueden encuadrarse en una de estas dos clases(o en una combinación de ambas):

  • Energía cinética: O asociada al movimiento, como la energía de un coche que se encuentra en movimiento o la energía de las partículas en movimiento de un gas.
  • Energía potencial: O asociada a la posición, como la energía del agua embalsada en una presa, la energía almacenada en un resorte o la energía de las cargas eléctricas.

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Todo proceso o cambio conlleva una transformación energética.

La energía adopta formas diversas y puede transformares de unas en otras.

Conservación y degradación de la energía:

Antes de empezar a hablar de esto es importante saber que la unidad energética en el SI es el julio(J), que es la energía necesaria para elevar un peso de 1 newton (N) hasta un metro (m) sobre la superficie terrestre.

Con frecuencia se utiliza una unidad de energía denominada kilovatio-hora(KWh),cuya equivalencia es la siguiente:

1KWh = 3,6 x 10 ^6 J

El principio de conservación de la energía dice: “La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Por lo tanto, la energía total del universo se mantiene constante”.

Degradación de la energía:

La energía se conserva en los cambios, pero tiende a transformarse en formas de energía menos aprovechables.

Por ejemplo, al quemar gasolina en el motor de un automóvil, la mayor parte de la energía química del combustible se transfiere como calor al entorno y ya no puede transformarse íntegramente de nuevo en energía química. En cualquier cambio, la pérdida de energía útil se denomina degradación.

Rendimiento energético:

Es el cociente entre la energía útil y la energía suministrada. Se expresa en porcentaje.

r = Energía útil/ energía suministrada x 100

Por ejemplo, si un motor tiene un rendimiento del 60 %, solo realiza un trabajo de 60 J por cada 100 J  de energía que consume. Ninguna máquina tiene un rendimiento del 100 % porque disipa caloríficamente parte de la energía que se le suministra.

La degradación de la energía y el problema energético:

Toda la energía que intercambia un sistema se transforma en otras formas de energía sin variar su valor, de acuerdo con el principio de conservación de la energía.

Este principio no pone ninguna restricción sobre el sentido en el que ocurren los procesos físicos , pero una simple observación de los fenómenos naturales muestra que se producen espontáneamente en un sentido determinado y no en el opuesto. Por ejemplo:

  • Cuando se ponen en contacto dos cuerpos a diferentes temperaturas, el cuerpo caliente transfiere energía térmica al cuerpo frío, pero nunca sucede lo contrario.
  • Si se frota un papel de lija contra una tabla de madera, aumenta su temperatura; la energía mecánica se ha invertido en calentar el papel. Pero si se deja enfriar el papel, no  se obtiene movimiento alguno; la energía térmica transferida al enfriarse el papel, no se convierte en una cantidad equivalente de energía mecánica.
  • En las máquinas siempre se transfiere caloríficamente al entorno parte de la energía utilizada, debido al rozamiento entre sus distintos componentes.

Este es el origen físico del problema energético: es posible que un sistema que reciba cualquier forma de energía pueda cederla intrínsecamente mediante calor; pero no es posible que un sistema que reciba energía mediante calor pueda transferirla intrínsecamente como otra forma de energía.

La energía transferida mediante calor no puede transformarse intrínsecamente en otras formas de energía.

Debido a ello, la energía disponible en un momento para satisfacer las necesidades energéticas de la sociedad va perdiendo “calidad” y es necesario  extraer nuevas cantidades de energía de las distintas fuentes energéticas.

Si no existiesen pérdidas caloríficas, se podría construir una máquina que  funcionara sin consumir energía, es decir, un móvil perpetuo.

Fuentes de energía:

  1. Fuentes no renovables de energía: Son aquellas cuyas reservas son consumidas a un ritmo mucho mayor del que son renovadas por la naturaleza: combustibles fósiles(carbón, petróleo y gas) y minerales de uranio.
  • El carbón: Es una roca sedimentaria formada, durante millones de años, a partir de residuos vegetales. A lo largo del siglo XIX fue sustituyendo a la madera como combustible más utilizado, debido a su mayor poder energético (30 000 KJ/kg frente a 14000 KJ/kg). La primera revolución industrial se baso en el uso del carbón. Según su contenidose distinguen varios tipos de carbón: antracita, hulla, lignito y turba. La antracita y la hulla se utilizan en la industria siderúrgica, y el lignito y la turba, como combustibles en las centrales térmicas.

  • El petróleo: Es un aceite mineral producido por la naturaleza, a lo largo de millones de años, a partir de restos de organismos. Desde principios del siglo XX desplazó al carbón como primer combustible, debido a su mayor poder energético, a la mayor facilidad de extracción, a la ausencia de residuos sólidos y a su uso en los motores de explosión. El petróleo crudo es una mezcla de diversas sustancias; su destilación permite obtener combustibles como propano, butano, gasolinas, etc. Es, además, la base de la industria petroquímica: sus derivados se utilizan en la producción de plásticos, pinturas…
  • El gas natural: Es una mezcla de metano, como componente mayoritario, y otros hidrocarburos gaseosos. Tiene un elevado poder energético y es poco contaminante, ya que su combustión solo genera como  residuos de dióxido de carbono y agua. Actualmente, su utilización va en aumento, y en España se ha construido una amplia red de canalización para hacer llegar el gas natural a las industrias y a los domicilios particulares.

  • La energía nuclear: La fuente de energía es el uranio 235,utilizado en los reactores nucleares de fisión actualmente en funcionamiento, aunque algunos usan como elemento fisionable el plutonio. El uranio natural no puede utilizarse como combustible nuclear porque es básicamente uranio 238 una proporción muy pequeña del isotopo 235.  La fusión nuclear proporciona mayor energía que la fisión nuclear para una misma masa de combustible. Pero se necesitan temperaturas de millones de grados para que los núcleos atómicos se fusionen, y es muy dificil conseguirlo en condiciones controladas. Todavía no existen centrales nucleares de fusión. La fusión nuclear es un proceso muy  común en la naturaleza; las estrellas, incluida el sol, generan así su energía.

Ventajas e inconvenientes:

Ventajas Inconvenientes
  •  Barata.
  •  Fácil de extraer.
  •  La técnología requerida está muy desarrollada.
  •  Las reservas de combustibles fósiles son limitadas.
  •  Contaminantes.
  • Los reactores nucleares de fisión producen residuos radiactivos de larga duración que hay que almacenar  en condiciones seguras.

2.  Fuentes renovables de energía: Son aquellas cuyas reservas son consumidas a un ritmo mucho menor del que son renovadas por la naturalezaenergía de la biomasa, energía solar, energía eólica, energía hidráulica, energía eólica, etc.

  • La biomasa: Es materia orgánica de origen vegetal o animal. La energía que contiene fue la primera en ser utilizada por el hombre. Hay diversos modos de aprovechar energéticamente la biomasa.

El uso directo como combustible de los residuos agrícolas, ganaderos y forestales.

-La transformación de residuos animales en el combustible biogás, mediante fermentaciones producidas por microorganismos.

-La obtención de biocarburantes mediante cultivos de plantas adecuadas. Por ejemplo, el bioetanol y el biodiesel pueden sustituir a la gasolina y el gasóleo en los motores de explosión.

-El aprovechamiento térmico de residuos urbanos en incineradoras, lo que, por ejemplo, permite calentar agua.

Origen de la biomasa:

Vegetal Animal
  • Madera
  • Paja
  • Podas
  • Residuos  urbanos
  • Estiércol
  • Residuos animales
  • Residuos urbanos
  •  El sol: Produce energía radiante denominada energía solar. Cada año, la Tierra recibe una cantidad de energía 4000 veces mayor que la consumida por la humanidad en ese tiempo. Sin embargo, es una energía dificil de aprovechar porque es discontinua y dispersa.

-El aprovechamiento térmico de la energía solar se puede hacer de dos formas diferentes:

  1. La energía solar térmica baja de temperatura. Se basa en el calentamiento de un fluido en un colector solar. Se aprovecha para tener agua caliente en edificios pequeños.
  2. La energía solar térmica de alta temperatura. Se basa en la concentración de la radiación solar para calentar un fluido a alta temperatura; se utiliza en las centrales solares termoeléctricas para  producir electricidad.

-La energía solar fotovoltaica aprovecha el efecto fotovoltaico: cuando la luz incide sobre un material semiconductor se genera un flujo de electrones. Las células fotovoltaicas convierten la energía solar en eléctrica.

  • Las fuentes hidráulica y eólica:
  1. La energía hidráulica es la energía potencial de una masa de agua embalsada en una presa natural o artificial. Antiguamente ,esta energía era utilizada para mover las ruedas hidráulicas de molinos y forjas. Hoy día se aprovecha en las centrales hidroeléctricas para producir energía eléctrica.
  2. La energía eólica es la energía cinética  del viento y en la navegación a vela. Actualmente se utiliza en los aerogeneradores para producir energía eléctrica.

Turbinas de una central hidroeléctrica:

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Aerogenerador:

  • Otras fuentes renovables de energía:

La energía térmica acumulada en el subsuelo se denomina energía  geotérmica. Se aprovecha inyectando agua fría en el subsuelo que se transforma en agua caliente o en vapor.

-La energía potencial que adquiere el agua marina al subir su nivel por efecto de las mareas se denomina energía mereomotriz. Se aprovecha mediante un dique que se cierra cuando la marea esté alta y que dispone de turbinas movidas por el agua cuando la marea está baja.

  • Ventajas e inconvenientes:
Ventajas Inconvenientes
  • Inagotables.
  • Menos impacto medio ambiental.
  • Carácter autóctono.
  • Su uso favorece el desarrollo de la tecnología necesaria para su aprovechamiento.
  • Los conocimientos y la tecnología para su uso están poco desarrollados.
  •  Los conocimientos y la tecnología para su uso están poco desarrollados.

La contaminación atmosférica: causas y efectos:

Es la presencia en el aire de sustancias gaseosas, líquidas o sólidas perjudicables para las personas, los restantes seres vivos y el entorno.

También suele considerarse contaminación atmosférica la presencia en el aire de radiaciones, ruidos, etc.

  • Origen de las substancias contaminantes:

Las substancias contaminantes pueden tener un origen natural, como la actividad de los volcanes, o un origen artificial debido a la actividad humana.

La  quema de combustibles fósiles en las centrales termoeléctricas, en los vehículos de motor, en las industrias y en las calefacciones domésticas, arroja a la atmosfera gases contaminantes: óxido de azufre, óxido de nitrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono. También se emiten partículas sólidas en suspensión:

  • Los óxidos de azufre y nitrógeno producen irritación en los ojos y en la nariz, afecciones del aparato respiratorio, retraso en el crecimiento de las plantas y corrosión de los metales; además contribuyen a la lluvia ácida. El monóxido de  carbono es muy tóxico y en altas concentraciones puede producir la muerte.
  • El dióxido de carbono no produce daños a la salud, pero contribuye al efecto invernadero

Los gases procedentes del uso de combustibles fósiles originan graves repercusiones ambientales.

Los principales efectos de la contaminación atmosférica son la lluvia ácida, el efecto invernadero y el deterioro de la capa de ozono, así como daños directos a la salud.

  • La lluvia ácida: El uso indiscriminado y desorbitado de combustibles fósiles en la generación de energía ha hecho que la concentración en la atmósfera de gases contaminantes como óxidos de nitrógeno y azufre haya aumentado en proporción excesiva; éstos gases reaccionan con el vapor de agua atmosférico y dan lugar a ácidos fuertes, de pH muy bajo, como el nítrico y el sulfúrico, que los vientos dominantes pueden hacer depositar en forma de lluvia, granizo o nieve a muy grandes distancias de la fuente contaminadora destruyendo la vida, tanto animal como vegetal, en breve espacio de tiempo.  El fenómeno se conoce como “lluvia ácida”.


  • El efecto invernadero: Por muy diversas circunstancias, entre las que destaca la quema de combustibles fósiles con diferentes fines, la atmósfera se está concentrando en gases tales como el dióxido de carbono, metano, amoníaco…etc que tienen la particularidad de dificultar la salida al espacio exterior de parte de la energía radiante procedente del sol, y reflejada por la superficie terrestre, en modo semejante a lo que ocurre en las superficies traslúcidas de los invernaderos, así como la emitida desde el interior del planeta, lo cual ha derivado en un aumento apreciable de la temperatura global con todas las consecuencias negativas que ello conlleva.

  • El deterioro de la capa de ozono:El ozono es un estado alotrópico del oxígeno cuya molécula está constituída por tres átomos de éste elemento. A una altura sobre la superficie de la Tierra de unos 25 kilómetros, se encuentra una zona donde se concentra alrededor del 90% de todo el ozono  atmosférico: es la “capa de ozono”. Este gas tiene la particularidad de absorber el 99% de la radiación ultravioleta, fuertemente energética, muy dañina, procedente del sol, haciendo posible la vida en el planeta tal y como la conocemos. Cualquier circunstancia que altere el equilibrio formación-destrucción del ozono de ésta capa atenta seriamente contra la vida siendo una de ellas la emisión de compuestos gaseosos clorofluorcabonados (CFC), como el freón y familia, que se utilizaban en la industria del frío (neveras, aire acondicionado…etc) y como propelente de aerosoles. La prohibición a escala mundial del uso de éstos gases ha derivado en una disminución del diámetro de los “agujeros” de la capa de ozono que se localizaban principalmente en los casquetes polares.

Energía, desarrollo y sostenibilidad:

El incremento del gasto energético va unido al desarrollo económico de las sociedades. Los países desarrollados consumen actualmente la mayor parte de la energía producida en el mundo. La mejora de la calidad de vida y el desarrollo económico de los países en vías de desarrollo están provocando un consumo energético creciente.

Por ello, para lograr un desarrollo sostenible se requiere lo siguiente:

  • Utilizar la energía respetando el medio ambiente.
  • Adoptar medidas de ahorro energético, ya que la energía es cara y escasa.
  • Disminuir la dependencia energética de unos países respecto de otros mediante el ahorro energético, la diversificación de las fuentes de energía y la utilización de fuentes de energía alternativas.

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